JP2005528114A - Mutant DNA polymerase I mutant and method for targeted random mutagenesis using the mutant DNA polymerase I mutant in continuous culture - Google Patents

Mutant DNA polymerase I mutant and method for targeted random mutagenesis using the mutant DNA polymerase I mutant in continuous culture Download PDF

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Abstract

変異型のDNAポリメラーゼI(該ポリメラーゼは複製の間にエラー率を増加させる、活性ドメイン中のモチーフAおよび/またはモチーフB内の突然変異を有する)。これらの低忠実度ポリメラーゼ突然変異体を発現させるための、発現プラスミド構築物および細胞系が提供される。また、ランダムに突然変異誘発させた遺伝子(これは原核生物性又は真核生物性のものであってもよい)のライブラリを産生するために、これらの低忠実度DNAポリメラーゼI突然変異体を利用する方法が提供される。ランダム突然変異誘発は、簡便に反復させるための連続的な培養において、突然変異誘発および選択を結合させることを含み、これにより多様な範囲の塩基対置換(広く配列に沿って分布する)を生じる。いくつかの利点には、染色体DNAに対する有害なダメージの最小化、および相補性を受け入れる株への適応が含まれ、これにより酵素(変化した特性を有する)の産生および同定が実質的に促進される。Variant DNA polymerase I, which has a mutation in motif A and / or motif B in the active domain that increases the error rate during replication. Expression plasmid constructs and cell lines are provided for expressing these low fidelity polymerase mutants. Also use these low fidelity DNA polymerase I mutants to produce libraries of randomly mutagenized genes (which may be prokaryotic or eukaryotic) A method is provided. Random mutagenesis involves combining mutagenesis and selection in continuous culture for convenient repeatability, thereby producing a diverse range of base pair substitutions (widely distributed along the sequence). . Some benefits include minimizing harmful damage to chromosomal DNA and adapting to strains that accept complementation, which substantially facilitates the production and identification of enzymes (with altered properties). The

Description

関連出願の相互参照Cross-reference of related applications

本出願は、2002年5月31日に出願された、現在継続中の仮出願番号60/384,944の優先権を主張する。   This application claims the priority of provisional application No. 60 / 384,944, filed May 31, 2002, currently pending.

本発明は、DNAポリメラーゼIの突然変異体及びその適用のための方法に関する、特に減少した複製の忠実度(fidelity)を有するように設計されたDNA Pol I突然変異体に関する、および連続培養(continuous culture)における標的配列の修飾のためのランダム突然変異誘発(random mutagenesis)において、それらを適用する方法に関する。   The present invention relates to DNA polymerase I mutants and methods for their application, in particular to DNA Pol I mutants designed to have reduced replication fidelity, and continuous culture. in random mutagenesis for modification of target sequences in culture).

政府の利益に関する陳述Statement of government interests

本発明は、国立保健研究所により授与された、助成金番号ROI CA 78885に基づく政府の支援の基でなされた。政府は、本発明に特定の権利を有している。   This invention was made with government support under grant number ROI CA 78885 awarded by the National Institutes of Health. The government has certain rights in the invention.

発明の背景Background of the Invention

酵素は、日常的に薬学および生物工学に関する産業において日常的に使用されており、また化学合成およびバイオレメディエーション(bioremediation)における生体触媒としての適用が増加している。自然の酵素(Native enzymes)は、直接に産業的または医学的な適用に要求される特性をめったに(seldom)有していない、というのも彼らは、特異的な機能を特定の生化学的な環境(一般に産業的および医学的な適用の化学的な環境とは異なる)内で実行するように進化してきたからである。これまで2つの一般的なアプローチを使用して、酵素の性能を変化させた。一方は詳細な構造上の情報に基づく、個々のアミノ酸残基の置換(replacement)を含み、他方はランダムに置換したバリアント、または突然変異体の大きなライブラリーの産生を含む。親酵素(parent enzyme)に既に存在する、構造上の特性を修飾し、突然変異誘発と引き続く所望の特性を有する突然変異体の同定とにより、触媒作用および/または基質特異性の至適条件に関して、酵素性能を微調整すること(fine−tuning)が可能となる。このアプローチは、複合体の生合成および分解経路の改善に、および医学的および産業的な適用に関する律速段階の克服に大きな可能性を有している。   Enzymes are routinely used in industries related to pharmacy and biotechnology and are increasingly applied as biocatalysts in chemical synthesis and bioremediation. Native enzymes rarely have the properties required for direct industrial or medical applications, because they have specific biochemical properties. Because it has evolved to run within an environment (generally different from the chemical environment for industrial and medical applications). So far, two general approaches have been used to change enzyme performance. One involves the replacement of individual amino acid residues based on detailed structural information, and the other involves the production of a large library of randomly substituted variants, or mutants. With regard to optimal conditions of catalysis and / or substrate specificity by modifying structural properties already present in the parent enzyme, and by mutagenesis followed by identification of mutants with the desired properties Fine-tuning of the enzyme performance becomes possible. This approach has great potential for improving the biosynthesis and degradation pathways of the complex and overcoming the rate-limiting step for medical and industrial applications.

部位特異的突然変異誘発とは異なり、ランダム突然変異誘発は、標的とされた酵素の構造の又は反応の機構的側面(mechanistic aspects)の、従来の知識を必要としない。ランダム突然変異誘発の主な制限は、配列スペースの小さいフラクション(fraction)のみが効果的に探索できるということである。これは、平均的酵素におけるアミノ酸置換の可能性な組み合わせが天文学的な数(大抵のライブラリーのサイズを大きく超える)であること及び機能的に欠陥性の突然変異体が頻繁に発生すること、による。また、ランダム突然変異体ライブラリーの多様性は、遺伝暗号のエラー修正素因(error−correcting nature)にも拘束(constrained)される。タンパク質内の特定のアミノ酸残基は、19の他の天然のアミノ酸のうちの1つで置換されるが、特定のアミノ酸をコード化するコドン内の特定の単一の点突然変異により、平均で僅か6つの異なるアミノ酸置換を生じる。これらの置換は、保存的な傾向にあり、特定のアミノ酸が類似する物理化学的な特性を有する別のアミノ酸で置換される結果となる。   Unlike site-directed mutagenesis, random mutagenesis does not require conventional knowledge of the structure of the targeted enzyme or the mechanistic aspects of the reaction. The main limitation of random mutagenesis is that only a small fraction of sequence space can be effectively searched. This is because the possible combinations of amino acid substitutions in the average enzyme are astronomical numbers (which greatly exceeds the size of most libraries) and functionally defective mutants frequently occur, by. In addition, the diversity of the random mutant library is constrained by the error-correcting nature of the genetic code. A particular amino acid residue in a protein is replaced with one of 19 other natural amino acids, but on average due to a particular single point mutation within the codon that encodes a particular amino acid Only 6 different amino acid substitutions occur. These substitutions tend to be conservative and result in the replacement of a particular amino acid with another amino acid having similar physicochemical properties.

多数の方法がインビトロでのランダムな点突然変異を誘導するために開発されており、これはPCR媒介の化学的な突然変異誘発(PCR−mediated chemical mutagenesis)[Roufa, D. J., Methods Mol. Biol. 57: 357−67 (1996)]から変異原性PCR(mutagenic PCR)[Cadwell, R. C. and Joyce, G. F., PCR Methods Appl. 3: S136−40 (1994)]、および縮重オリゴヌクレオチドのライゲーション[Black, M. E. and Loeb, L. A. , Methods Mol. Biol. 57: 335−49 (1996)]の範囲にわたる。これらの方法は、突然変異誘発の強度に対してある種のコントロールを提供し、非常に高い突然変異負荷(mutation loads)を達成できる。しかしながら、激烈(intense)な突然変異誘発条件下でさえも、酵素内に2または3アミノ酸を超える特定の部分配列(subsequence)を、突然変異誘発により、発生させる可能性は最小(minimal)である。そのうえ、高い突然変異負荷により、欠陥性の突然変異体の割合が増加する。   A number of methods have been developed to induce random point mutations in vitro, which are PCR-mediated chemical mutagenesis [Roufa, D. et al. J. et al. , Methods Mol. Biol. 57: 357-67 (1996)] to mutagenic PCR (Cadwell, R .; C. and Joyce, G .; F. , PCR Methods Appl. 3: S136-40 (1994)], and ligation of degenerate oligonucleotides [Black, M. et al. E. and Loeb, L.M. A. , Methods Mol. Biol. 57: 335-49 (1996)]. These methods provide some control over the intensity of mutagenesis and can achieve very high mutation loads. However, even under intense mutagenesis conditions, it is minimally possible to generate specific subsequences of more than 2 or 3 amino acids within the enzyme by mutagenesis. . Moreover, a high mutation load increases the proportion of defective mutants.

変化した特性を有する突然変異体を発生する公算(likelihood)を増加させるための1つの戦略は、突然変異誘発を標的遺伝子の領域(触媒作用に直接的に関与する)に限定することからなる[Suzuki et al., Mol. Divers. 2: 111−18 (1996)]。この戦略はいくつかの場合において成功したが[Encell et al., Cancer Res. 58: 1013−20 (1998); Glick et al., Embo J. 20: 7303−12 (2001); Patel, P. H. and Loeb, L. A., Proc. Natl. Acad. Sci. U S A 97: 5095−100 (2000); Shinkai et al., J. Biol. Chem. 276: 18836−42 (2001)]、これは、タンパク質の大きな部分を未探索のまま残す結果となり、タンパク質構造および構造機能相関の実質的な知識を必要とし、活性部位の配列が近接しない又は容易に同定可能ではない場合には困難となる。   One strategy for increasing the likelihood of generating mutants with altered properties consists of limiting mutagenesis to a region of the target gene (which is directly involved in catalysis) [ Suzuki et al. , Mol. Divers. 2: 111-18 (1996)]. This strategy has been successful in some cases [Encell et al. , Cancer Res. 58: 1013-20 (1998); Glick et al. , Embo J. et al. 20: 7303-12 (2001); Patel, P .; H. and Loeb, L.M. A. , Proc. Natl. Acad. Sci. USA 97: 5095-100 (2000); Shinkai et al. , J. et al. Biol. Chem. 276: 18836-42 (2001)], which results in leaving a large portion of the protein unexplored, requiring substantial knowledge of protein structure and structure-function relationships, and the active site sequence is not close or easy If it is not identifiable, it becomes difficult.

所望のバリアントを発見することは、一般的に大きな挑戦である。これは、真の選択(true selection)又はスクリーニングの何れかにより達成し得る。真の選択は、所望の活性を示すクローンに成長利点(growth advantage)を与えることからなり、それゆえにインビボで実行される。前記成長利点がどのくらい強いかに依存して、選択に基づく技術を、集団中の所望のバリアントの出現を増加させるために極度に効果的にできる。選択に基づく技術は、欠陥性(defective)および不活性(inactive)の突然変異体を排除することにおいて付加的な利点を有する。特定の酵素特性と成長とを連関させる多くの方法が存在し、これには遺伝的相補性、栄養素要求性(auxotrophy)、または薬剤抵抗性が含まれる。残念ながら、選択に基づく技術は、全ての酵素および所望の特性に関して利用可能ではない。選択に基づく技術が利用可能ではない場合、所望のバリアントをスクリーニングにより同定できる。スクリーニングは、より多用途(versatile)である(選択に基づく技術よりも)、なぜならスクリーニングは生物活性を必要としないからである。
しかしながら、スクリーニングはスループット(throughput)がより制限される。
Finding the desired variant is generally a big challenge. This can be achieved either by true selection or screening. True selection consists of conferring growth advantage on clones that exhibit the desired activity and is therefore performed in vivo. Depending on how strong the growth advantage is, selection-based techniques can be extremely effective to increase the appearance of the desired variant in the population. Selection-based techniques have additional advantages in eliminating defective and inactive mutants. There are many ways to link specific enzyme properties with growth, including genetic complementation, auxotrophy, or drug resistance. Unfortunately, selection-based techniques are not available for all enzymes and desired properties. If no selection-based technique is available, the desired variant can be identified by screening. Screening is more versatile (than selection-based techniques) because screening does not require biological activity.
However, screening is more limited in throughput.

選択に基づく技術が利用可能な場合、インビボ突然変異誘発により、インビトロ方法と比べて有意な利点が提供される。なぜならインビボ突然変異誘発は、即座にポジティブな遺伝的選択に関連させることが可能だからである。これにより有益な突然変異の蓄積が促進される(「定方向進化(directed evolution)」として知られる戦略)。突然変異の所望の表現型におけるポジティブ効果での段階的な選択により、我々は実験の開始時に非常に低い確率である、突然変異の組み合わせを達成することが可能である。この突然変異誘発および選択の反復性プロセス(iterative process)は、突然変異誘発および選択の双方を同時にインビボで実施することにより非常に促進される。   In vivo mutagenesis offers significant advantages over in vitro methods where selection-based techniques are available. This is because in vivo mutagenesis can be immediately associated with positive genetic selection. This promotes the accumulation of beneficial mutations (a strategy known as “directed evolution”). By step-wise selection with a positive effect on the desired phenotype of the mutation, we are able to achieve a combination of mutations that has a very low probability at the start of the experiment. This iterative process of mutagenesis and selection is greatly facilitated by performing both mutagenesis and selection simultaneously in vivo.

特定のインビボ突然変異誘発システムの効率は、使用された細胞性の宿主(cellular hosts)または「変異誘発株(mutator strains)」のタイプに優先的に依存する。また、現在利用可能な変異誘発株は、多くの理由から不十分(inadequate)である。例えば、mutD5は、プルーフリーディング活性において、Pol III欠乏性である[Scheuermann, R. H. and Echols, H., Proc. Natl. Acad. Sci. U S A 81: 7747−51 (1984)]。ある種の成長条件下で、このポリメラーゼ(大腸菌における主な複製的ポリメラーゼ)により導入されたエラーにより、ミスマッチ修復の飽和(saturation)および突然変異誘発における劇的な増加が生じる[Schaaper, R. M. and Radman, M. , Embo. J. 8: 3511−16 (1989)]。他の株は、ミスマッチ修復不活性化[Glickman, B. W. and Radman, M., Proc. Natl. Acad. Sci. U S A 77 :1063−67 (1980)]、またはミスマッチ修復に影響する複合的な突然変異(mut S)、oxo−dGTP修復活性(mut T)、およびDNA Pol IIIの3’−5’エキソヌクレアーゼ活性(mut D)[Greener et al., Methods Mol. Biol. 57: 375−85 (1996)]に基づくものである。しかしながら、主要なDNA修復経路の不活性化は、これらの変異誘発株の性能を非常に制限する[Greener et al., Mol. Biotechnol. 7: 189−95 (1997)]。突然変異誘発は標的とされた配列(the targeted sequence)に向けられたものではないので、これらの変異誘発株を培養において成長させることにより、広範な突然変異誘発が一定不変に(invariably)生じる。これにより、生物体の適応度(fitness)の実質的な欠損(loss)が導かれ、これは次に(in turn)、実施可能な効果的な反復性サイクル(iterative cycles)の数を制限する[Fijalkowska,1. J. and Schaaper, R. M., Proc. Natl. Acad. Sci. U S A 93: 2856−61 (1996)]。また、非特異的な突然変異により、標的遺伝子における突然変異からの表現型発現が隠蔽(obscure)[Long−McGie et al., Biotechnol. Bioeng. 68: 121−25 (2000); Negri et al., Antimicrob. Agents Chemother. 44: 2485−2491 (2000)]および培養における長期の継代で突然変異誘発の効率が減少[Greener et al., Mol. Biotechnol. 7: 189−95 (1997)]され得る。   The efficiency of a particular in vivo mutagenesis system depends preferentially on the type of cellular hosts or “mutator strains” used. Also, currently available mutagenic strains are inadequate for a number of reasons. For example, mutD5 is Pol III deficient in proofreading activity [Scheuermann, R., et al. H. and Echols, H.M. , Proc. Natl. Acad. Sci. USA 81: 7747-51 (1984)]. Under certain growth conditions, errors introduced by this polymerase (the main replicative polymerase in E. coli) result in mismatch repair saturation and a dramatic increase in mutagenesis [Schaaper, R .; M.M. and Radman, M.M. , Embo. J. et al. 8: 3511-16 (1989)]. Other strains include mismatch repair inactivation [Glickman, B. et al. W. and Radman, M.M. , Proc. Natl. Acad. Sci. U S A 77: 1063-67 (1980)], or multiple mutations affecting mismatch repair (mut S), oxo-dGTP repair activity (mut T), and 3′-5 ′ exo of DNA Pol III Nuclease activity (mut D) [Greener et al. , Methods Mol. Biol. 57: 375-85 (1996)]. However, inactivation of the major DNA repair pathway greatly limits the performance of these mutagenized strains [Greener et al. , Mol. Biotechnol. 7: 189-95 (1997)]. Since mutagenesis is not directed to the targeted sequence, growing these mutagenized strains in culture results in extensive mutagenesis invariably. This leads to a substantial loss of the organism's fitness, which in turn limits the number of effective iterative cycles that can be performed. [Fijalkaska, 1. J. et al. and Schaper, R.A. M.M. , Proc. Natl. Acad. Sci. USA 93: 2856-61 (1996)]. Also, non-specific mutations obscure phenotypic expression from mutations in the target gene [Long-McGie et al. , Biotechnol. Bioeng. 68: 121-25 (2000); Negri et al. , Antimicrob. Agents Chemother. 44: 2485-2491 (2000)] and long-term passages in culture reduce the efficiency of mutagenesis [Greener et al. , Mol. Biotechnol. 7: 189-95 (1997)].

要約すると、ランダム突然変異誘発により、酵素修飾が標的タンパク質についての最小の構造上の又は機構的な情報で可能となる、分析を必要とする突然変異体の数によりこの技術の効率が制限される。高い突然変異負荷はインビボで達成できないが、インビボ突然変異誘発をポジティブな遺伝的選択と連結することにより、効果的に分析できる突然変異体の数が拡大される。   In summary, random mutagenesis limits the efficiency of this technique by the number of mutants that require analysis, where enzymatic modification is possible with minimal structural or mechanistic information about the target protein. . Although high mutation loading cannot be achieved in vivo, linking in vivo mutagenesis with positive genetic selection expands the number of mutants that can be analyzed effectively.

特性が詳細に調査された変異誘発株が存在するが、しかし次の制限をランダム突然変異誘発による酵素修飾に関して有している、即ち:
(1)DNAポリメラーゼおよび/またはDNA修復経路における、特定の欠陥(defects)への依存性;
(2)広範な染色体突然変異誘発から及び欠陥性DNA修復経路(defective DNA repair pathways)から生じる、宿主細胞の不健康な状態;
(3)表現型の特性に基づく選択の信頼性を低くする、非特異的な染色体突然変異から生じる表現型ノイズ(phenotypic noise)の増加;および
(4)長期の培養で生じる突然変異誘発率の進行性の減少(progressive decrease);である。
培養におけるランダム突然変異誘発を改善する必要性は、明らかに存在する。特に、健康的な宿主株および特定の遺伝的背景に非依存的であることが望まれる。
There are mutagenized strains whose properties have been investigated in detail, but have the following limitations with respect to enzyme modification by random mutagenesis:
(1) Dependence on DNA defects and / or DNA repair pathways on certain defects;
(2) the unhealthy state of the host cells resulting from extensive chromosomal mutagenesis and from defective DNA repair pathways;
(3) increased phenotypic noise resulting from non-specific chromosomal mutations, reducing the reliability of selection based on phenotypic characteristics; and
(4) Progressive decrease in the rate of mutagenesis that occurs in long-term culture.
There is clearly a need to improve random mutagenesis in culture. In particular, it is desirable to be independent of healthy host strains and specific genetic backgrounds.

発明の概要Summary of the Invention

本発明の一態様は、変異性DNAポリメラーゼのPolIファミリー内での(within the Pol I family)設計、および対象の外因性の標的遺伝子のランダム突然変異誘発を、連続的な培養で染色体DNAの頻度を超えた頻度で実行することにおいてそれらを使用する方法に関する。様々な本発明の態様はDNAポリメラーゼの設計に関し、この設計は、突然変異をそれらの活性部分内の残基に導入することによるもので、これによりポリメラーゼのエラー率が増加する。これらは集合的に「変異性PolI突然変異体(error−prone Pol I mutants)」と称される。これらの突然変異は、モチーフA、またはモチーフBの何れか片方、或いはモチーフAおよびB両方に関係する(involve)。本発明の様々な態様の組成物(compositions)は、PolI突然変異体(低忠実度を有する)の設計された部位の任意の部分をコード化しているDNA配列、PolI突然変異体(低忠実度を与える、設計された部位を含有している)の任意の部分、および宿主株(これらの変異性PolI突然変異体に相当する、DNAまたはポリペプチド 配列の何れかを具備する)、を含む。   One aspect of the present invention is the design of within the PolI family of mutated DNA polymerases and random mutagenesis of the exogenous target gene of interest in the frequency of chromosomal DNA in continuous culture. It relates to how to use them in performing at a frequency exceeding. Various aspects of the invention relate to the design of DNA polymerases, which are by introducing mutations into residues within their active portion, thereby increasing the error rate of the polymerase. These are collectively referred to as “error-prone Pol I mutants”. These mutations are associated with either motif A or motif B, or both motifs A and B. The compositions of the various aspects of the present invention comprise a DNA sequence encoding any part of the designed site of a PolI mutant (having low fidelity), a PolI mutant (low fidelity) And any portion of the host strain (which contains either DNA or polypeptide sequences corresponding to these mutated PolI mutants).

本発明の他の態様は、これらの変異性ポリメラーゼ突然変異体を、慎重に制御された、または「至適化された(optimized)」 培養条件下で発現させて、突然変異誘発(対象の配列をコード化している外因的に導入したプラスミドを優先的に標的とする)の頻度の上昇を達成する。前記組成物および方法はランダム突然変異誘発に関して提供される。これは連続的な培養において実施され、選択工程間のプラスミド回復は無く、これにより有益な突然変異の蓄積が大きく促進される。前記組成物および方法を、標的遺伝子との相補性に適切な任意の現存している株における使用に関して容易に適用できる。というのも重大な試薬(critical reagents)は形質転換可能なベクターにコード化されており、突然変異誘発は前記宿主株における任意の特定の遺伝的欠陥に依存(contingent)しないからである。   Another aspect of the present invention is to allow these mutated polymerase mutants to be expressed under carefully controlled or “optimized” culture conditions to induce mutagenesis (the subject sequence). Increased frequency of preferentially targeting exogenously introduced plasmids encoding. The compositions and methods are provided for random mutagenesis. This is done in continuous culture and there is no plasmid recovery between selection steps, which greatly facilitates the accumulation of beneficial mutations. The compositions and methods can be readily applied for use in any existing strain suitable for complementation with the target gene. This is because critical reagents are encoded in a transformable vector, and mutagenesis is not dependent on any particular genetic defect in the host strain.

適切な株には、野生型DNAポリメラーゼおよび/または野生型DNA修復機能を内因的に発現している細胞が含まれる。前記組成物および方法により、広域性(a broad spectrum)の突然変異を任意のDNA標的配列(原核生物の又は真核生物の)に導入できる。これにより変化した特性(altered properties)を有するポリペプチドをコード化している配列の同定が達成される。   Suitable strains include cells that endogenously express wild type DNA polymerase and / or wild type DNA repair function. The compositions and methods can introduce a broad spectrum mutation into any DNA target sequence (prokaryotic or eukaryotic). This achieves the identification of sequences encoding polypeptides with altered properties.

発明の詳細記載Detailed description of the invention

本発明の態様は、集合的に「変異性PolI突然変異体」と称される、Pol I突然変異体の産生に対するものである。これは野生型DNAポリメラーゼを活性ドメインを形成する特定の残基において変更したものであり、これらのPolI突然変異体により触媒作用の間のミスインコーポレーション(misincorporation)が結果的に増加する。これらの低忠実度(low−fidelity)のPol I突然変異体は、生化学的反応を行う酵素を用いる、任意の産業において潜在的に有用である(係る酵素の活性における如何なる改善も望ましい)。本発明の態様は、薬学的/医学的な産業、同様に酵素依存的なプロセスに従事する任意の産業における、広範な適用に関して有用である。   Aspects of the invention are for the production of Pol I mutants, collectively referred to as “variant Pol I mutants”. This is a modification of the wild-type DNA polymerase at specific residues that form the active domain, and these PolI mutants result in increased misincorporation during catalysis. These low-fidelity Pol I mutants are potentially useful in any industry that uses enzymes that perform biochemical reactions (any improvement in the activity of such enzymes is desirable). Aspects of the invention are useful for a wide range of applications in the pharmaceutical / medical industry as well as any industry that engages in enzyme-dependent processes.

図1Aは、変異性PolI突然変異体により媒介される、連続的な培養におけるランダム突然変異誘発アプローチの概要を示す。対象の標的遺伝子をコード化している第一ベクターおよび変異性PolI突然変異体をコード化している第二ベクターを含んでいる原核生物の宿主細胞が提示される。適切な宿主細胞は、野生型Pol Iを内因的に発現してもよい又はしなくてもよい。本発明の突然変異誘発システムを用いる、突然変異誘発および選択の反復性サイクルにより、対象の遺伝子の定方向進化(directed evolution)が生じる。   FIG. 1A outlines a random mutagenesis approach in continuous culture mediated by a mutated PolI mutant. Prokaryotic host cells containing a first vector encoding a target gene of interest and a second vector encoding a mutated PolI mutant are presented. Suitable host cells may or may not express wild type Pol I endogenously. The iterative cycle of mutagenesis and selection using the mutagenesis system of the present invention results in directed evolution of the gene of interest.

図1Bは、宿主細胞における低忠実度Pol 1突然変異体の発現が、インビボで発現された場合に原核生物性の宿主の染色体を実質的に修飾することなく、如何にプラスミド特異的突然変異誘発を促進するかの例を示す。示されるとおり、野生型Pol III(主要なDNAポリメラーゼ)および温度感受性Pol I活性を有する宿主細胞を2つのプラスミドで形質転換できる。突然変異誘発が制限温度(a restrictive temperature)で発生する場合、内因性(endogenous)の温度感受性Pol Iを不活化できる。第一(「標的」)プラスミド内で、対象の標的遺伝子をColEl複製開始点(「ori」)の下流に挿入できる(それはPol1により特異的に認識される)。第二プラスミド(「pSC101 ori」)は突然変異体DNAポリメラーゼを発現できる。これは活性部位内が設計されており、基質DNA(例えば、標的遺伝子を含有している前記第一プラスミド)を誤って(erroneously)複製する。PolIによるDNA合成は染色体中で非常に制限されているので、変異性PolI突然変異体のインビボでの発現に際し、突然変異誘発は標的プラスミドに大きく限定される。   FIG. 1B shows how expression of a low fidelity Pol 1 mutant in a host cell shows plasmid-specific mutagenesis without substantially modifying the prokaryotic host chromosome when expressed in vivo. An example of how to promote As shown, host cells with wild type Pol III (major DNA polymerase) and temperature sensitive Pol I activity can be transformed with the two plasmids. If mutagenesis occurs at a restrictive temperature, the endogenous temperature-sensitive Pol I can be inactivated. Within the first (“target”) plasmid, the target gene of interest can be inserted downstream of the ColEl origin of replication (“ori”), which is specifically recognized by Pol1. The second plasmid (“pSC101 ori”) can express the mutant DNA polymerase. This is designed in the active site and replicates substrate DNA (eg, the first plasmid containing the target gene) erroneously. Since DNA synthesis by PolI is very restricted in the chromosome, mutagenesis is largely limited to the target plasmid during in vivo expression of mutated PolI mutants.

以下のパラグラフは、本発明の2つの一般的な態様を説明するものである(突然変異誘発システムに関する組成物、および連続的な培養によるインビボでの定方向進化を実行するための本組成物を用いる方法)。   The following paragraphs illustrate two general aspects of the present invention (compositions for mutagenesis systems and compositions for performing directed evolution in vivo by continuous culture). Method used).

突然変異誘発システムのコンポーネント
変異性PolI突然変異体に関する組成物の態様を含む、突然変異誘発システムに関して、以下の事項により次の開示が提供される、即ち:
(1)モチーフAおよび/またはB PolI突然変異体の開発およびキャラクタリゼーション、
(2)モチーフAおよび/またはB PolI突然変異体を発現するために使用できる宿主株、および
(3)モチーフAおよび/またはB PolI突然変異体が使用できる標的配列のタイプ。
これらの組成物に関する特定の実施例が、参照され、以下のセクションにおいて提供される。
Components of the mutagenesis system
With respect to mutagenesis systems, including compositional embodiments relating to mutated PolI mutants, the following disclosure is provided by:
(1) Development and characterization of motif A and / or B PolI mutants,
(2) a host strain that can be used to express motif A and / or B PolI mutant, and
(3) Types of target sequences that can be used by motif A and / or B PolI mutants.
Specific examples relating to these compositions are referenced and provided in the following sections.

変異性PolI突然変異体の開発およびキャラクタリゼーション
タイプI ポリメラーゼは、3つの別個のドメインを有する単一ポリペプチドからなる[Kornberg, A. and Baker, T.A., DNA replication, second edition, Vol. 1, p.931. New York: W. H. Freeman and Company (1992)]。特に、1つのそのようなポリメラーゼ(Thermus aquaticus(Taq)ポリメラーゼ)の忠実度に重大である、3残基(I614、A661、およびT664)は、本発明者等により以前に同定された[Suzuki et al., J. Biol. Chem. 272: 11228−35 (1997); Patel et al., J. Biol. Chem. 276: 5044−51 (2001)]。
Development and characterization of mutated PolI mutants
Type I polymerase consists of a single polypeptide with three distinct domains [Kornberg, A. et al. and Baker, T .; A. , DNA replication, second edition, Vol. 1, p. 931. New York: H. Freeman and Company (1992)]. In particular, three residues (I614, A661, and T664), critical to the fidelity of one such polymerase (Thermus aquaticus (Taq) polymerase), have been previously identified by the inventors [Suzuki et al. al. , J. et al. Biol. Chem. 272: 11228-35 (1997); Patel et al. , J. et al. Biol. Chem. 276: 5044-51 (2001)].

dNTP結合に際して、モチーフAおよびBは、入ってくる(incoming)ヌクレオチドを収容する(accommodates)触媒部位に、ポケットを形成することが示された。これらのモチーフにおける特定のポジションでの、ある種のアミノ酸置換はミスインコーポレーションを好む。これは活性部位腔(the active site cavity)の拡大(enlargement)および/またはより安定な「閉鎖(closed)」コンホメーションに起因する[Suzuki et al., J. Biol. Chem. 272: 11228−35 (1997); Patel et al., J. Biol. Chem. 276: 5044−51 (2001)]。   Upon dNTP binding, motifs A and B have been shown to form a pocket at the catalytic site that accommodates incoming nucleotides (accommodates). Certain amino acid substitutions at specific positions in these motifs favor misincorporation. This is due to the enlargement of the active site cavity and / or the more stable “closed” conformation [Suzuki et al. , J. et al. Biol. Chem. 272: 11228-35 (1997); Patel et al. , J. et al. Biol. Chem. 276: 5044-51 (2001)].

本発明の一態様は、大腸菌DNAポリメラーゼのバリアント(即ち、変異性PolI突然変異体)に関する。これらは活性部位(特にモチーフAおよび/またはモチーフBにおける)内が設計(engineered)されて、基質DNA内の複製の誤りの頻度を上昇させる。図2は、モチーフAおよびB内のポジション(本発明により同定および特徴づけられた)を示し、これは大腸菌ポリメラーゼの忠実度に関して重大(critical)である。特に、大腸菌DNA PolIの、モチーフAのポジションI709およびモチーフBのポジションS756およびA759を設計して、ミスマッチした残基のインコーポレーションを増加させる。これらの突然変異体は、以下のセクションで更に記載される。変異性PolI突然変異体の構築のための方法は、以下の実施例1で提供される。   One aspect of the present invention relates to E. coli DNA polymerase variants (ie, mutated PolI mutants). These are engineered within the active site (especially in motif A and / or motif B) to increase the frequency of replication errors in the substrate DNA. FIG. 2 shows the positions within motifs A and B (identified and characterized by the present invention), which is critical with respect to the fidelity of E. coli polymerase. In particular, motif I position I709 and motif B positions S756 and A759 of E. coli DNA PolI are designed to increase the incorporation of mismatched residues. These mutants are further described in the following sections. A method for the construction of a mutated PolI mutant is provided in Example 1 below.

一態様は大腸菌変異性PolI突然変異体(E. coli error−prone Pol I mutants)に関する。該突然変異体はアミノ酸置換をモチーフAおよび3’→5’エキソヌクレアーゼドメインの双方において保持(bearing)し、標的DNAの複製の間のミスインコーポレーションの頻度の上昇を呈する。 One embodiment relates to E. coli error-prone Pol I mutants. The mutant bears amino acid substitutions in both motif A and the 3 'to 5' exonuclease domain and exhibits an increased frequency of misincorporation during replication of the target DNA.

モチーフA突然変異体は、野生型アスパラギン酸(D)をポジション424でアラニン(A)で置換することにより変化させられて、プルーフリーディングに必須のエキソヌクレアーゼ機能が不活性化された。図2はモチーフA突然変異体の例を提供する。該突然変異体はエキソヌクレアーゼ活性を欠損し、これにはD424A I709NおよびD424A I709F突然変異体(該突然変異体において、野生型イソロイシン(ポジション709)がアスパラギン(N)、またはフェニルアラニン(F)で置換されている)が含まれる。これらの2つの突然変異体の生化学的なキャラクタリゼーションは、本発明者により行われた。また、彼らの仕事を記載している次の文献は、参照によって本明細書中に援用される[Shinkai, A. and Loeb, L., J. Biol. Chem. 276: 46759−64 (2001)]。これらの変異性PolI突然変異体(活性部位のモチーフAにおいて1以上の突然変異を保持する)は、インビトロおよびインビボの双方での鋳型複製の間に、より頻繁にエラーを生じる、それゆえインビトロおよびインビボにおいて使用し得る。   The motif A mutant was altered by substituting wild-type aspartic acid (D) with alanine (A) at position 424, inactivating the exonuclease function essential for proofreading. FIG. 2 provides an example of a motif A mutant. The mutant lacks exonuclease activity, including D424A I709N and D424A I709F mutants in which wild type isoleucine (position 709) is replaced with asparagine (N) or phenylalanine (F). Is included). Biochemical characterization of these two mutants was performed by the inventor. Also, the following documents describing their work are incorporated herein by reference [Shinkai, A. et al. and Loeb, L.M. , J. et al. Biol. Chem. 276: 46759-64 (2001)]. These mutated PolI mutants (which retain one or more mutations in active site motif A) result in more frequent errors during both in vitro and in vivo template replication, and thus in vitro and It can be used in vivo.

別の態様は大腸菌変異性PolI突然変異体に関し、該突然変異体は突然変異をモチーフBおよび3’→5’エキソヌクレアーゼドメインの双方において保持し、標的DNAの複製の間のミスインコーポレーションの頻度の上昇を生じる。モチーフB突然変異体は、野生型アスパラギン酸(D)をポジション424でアラニン(A)に置換することにより変化させられて、プルーフリーディングに必須のエキソヌクレアーゼ機能が不活性化された。図2はモチーフB突然変異体の例を提供する。該突然変異体はエキソヌクレアーゼ活性を欠損し、これにはD424A S756EおよびD424A A759R突然変異体〔該突然変異体において、野生型セリン(S)(ポジション756における)がグルタミン酸(E)で置換され、野生型アラニン(A)(ポジション759における)がアルギニン(R)で置換される〕が含まれる。これらの変異性PolI突然変異体(活性部位のモチーフBにおいて1以上の突然変異を保持する)は、インビトロおよびインビボにおいて使用し得る。   Another embodiment relates to an E. coli mutated PolI mutant that retains the mutation in both the motif B and the 3 ′ → 5 ′ exonuclease domain and the frequency of misincorporation during replication of the target DNA. Resulting in a rise. The motif B mutant was altered by replacing wild type aspartate (D) with alanine (A) at position 424, inactivating the exonuclease function essential for proofreading. FIG. 2 provides an example of a motif B mutant. The mutant lacks exonuclease activity, including D424A S756E and D424A A759R mutants, in which wild type serine (S) (at position 756) is replaced with glutamic acid (E); Wild type alanine (A) (at position 759) is replaced with arginine (R)]. These mutant PolI mutants (which retain one or more mutations in active site motif B) can be used in vitro and in vivo.

更なる態様は大腸菌変異性PolI突然変異体に関し、該突然変異体はアミノ酸置換をモチーフAおよびモチーフBの双方において保持し、標的DNAの複製の間のミスインコーポレーションの頻度の高度な上昇を呈する。これらのモチーフAおよびB突然変異体は、彼らの3’→5’エキソヌクレアーゼ活性を、野生型アスパラギン酸(D)(ポジション424)をアラニン(A)で置換することにより変化させられて、不活性化された。しかし、この修飾は、これらの突然変異体の突然変異誘発に有意な影響力を有していないように思われる(表2を参照)。図2は、モチーフAおよびモチーフBにアミノ酸置換を保有(carrying)している、変異性PolI突然変異体の例を提供する。1つの係る突然変異体は「D424A I709N A759R」である。該突然変異体において、野生型イソロイシン(I)(ポジション709における)がアスパラギン(N)で置換され、野生型アラニン(A)(ポジション759における)がアルギニン(R)で置換される。両方のモチーフにおける別の突然変異体は「D424A I709F A759R」と称される。該突然変異体において、野生型イソロイシン(I)(ポジション709における)はフェニルアラニン(F)で置換され、野生型アラニン(A)(ポジション759における)はアルギニン(R)で置換される。これらの変異性PolI突然変異体(活性部位の各モチーフAおよびモチーフBにおいて単一もしくはそれ以上のアミノ酸置換を保持する)は、インビトロおよびインビボにおいて使用し得る。   A further aspect relates to an E. coli mutated PolI mutant, which retains amino acid substitutions in both motif A and motif B and exhibits a high increase in the frequency of misincorporation during target DNA replication. . These motif A and B mutants have their 3 ′ → 5 ′ exonuclease activity altered by replacing wild type aspartate (D) (position 424) with alanine (A), Activated. However, this modification does not appear to have a significant impact on mutagenesis of these mutants (see Table 2). FIG. 2 provides an example of a mutated PolI mutant carrying amino acid substitutions in motif A and motif B. One such mutant is “D424A I709N A759R”. In the mutant, wild type isoleucine (I) (at position 709) is replaced with asparagine (N) and wild type alanine (A) (at position 759) is replaced with arginine (R). Another mutant in both motifs is referred to as “D424A I709F A759R”. In the mutant, wild type isoleucine (I) (at position 709) is replaced with phenylalanine (F) and wild type alanine (A) (at position 759) is replaced with arginine (R). These mutated PolI mutants (retaining single or more amino acid substitutions in each motif A and motif B of the active site) can be used in vitro and in vivo.

付加的な態様は、上記で議論したモチーフAおよびBを保有している大腸菌変異性PolI突然変異体、およびモチーフAおよびモチーフB突然変異の組み合わせに関し、これにはPolIファミリーのDNAポリメラーゼの他のメンバー(黄色ブドウ球菌、肺炎連鎖球菌、Bacillus subtillis、または腸炎菌を含む)中に設計し得る相同突然変異(homologous mutations)が含まれる。   Additional embodiments relate to E. coli mutated PolI mutants carrying motifs A and B discussed above and combinations of motif A and motif B mutations, including other PolI family DNA polymerases. Included are homologous mutations that can be designed into members, including S. aureus, S. pneumoniae, Bacillus subtilis, or enterococci.

変異性PolI突然変異体により媒介される突然変異誘発に使用される宿主株における非制限的な選択(Unrestricted Selection)
変異体 モチーフAおよび/またはモチーフB PolI遺伝子の発現に適切な宿主は、不活化されたDNA修復機構を有する株に又は欠陥性の染色体性PolI(chromosomal PolI)を有する株に限定されない。それゆえ、前記突然変異誘発システムは、想像可能(imaginable)な種々の株に独自に(uniquely)適合性(adaptable)である。内因性の野生型PolI活性を有する又は有さない細胞を用いた様々な態様を使用して変異誘発因子(mutators)を発現し得る。
Unrestricted Selection in Host Strain Used for Mutagenesis Mediated by Mutant PolI Mutants (Unrestricted Selection)
Variants Motif A and / or Motif B Suitable hosts for expression of the PolI gene are not limited to strains with an inactivated DNA repair mechanism or strains with defective chromosomal PolI (chromosomal PolI). The mutagenesis system is therefore uniquely adaptable to various strains that are imaginable. Various embodiments using cells with or without endogenous wild-type PolI activity may be used to express mutators.

他の態様は、不活化されたDNA修復機構を有する又は有さない株に関する。変異性PolI発現により媒介される突然変異誘発を支持する、適切な細胞環境を提供し得る宿主株の例には、大腸菌株(例えば、JS200およびXL1−Blue)が含まれる。JS200株は、PolIの温度感受性の対立遺伝子(polA12)を染色体に有する株を代表する(represents)ものである[Monk, M. and Kinross, J., J. Bacteriol.109 : 971−78 (1972)]。XL1−Blue株は、内因性の野生型PolI活性を有し、DNA修復に実質的に熟達した株を代表する(represents)ものであり、それゆえ外因性の変異性PolI突然変異体の共発現を支持することができる。別の態様は多くの存在する株に関し、その株は特定の酵素(この酵素は機能的に相補できる)に欠陥があり、このことにより前記システムの探索が完全な程度(fullest extent)まで可能となる。   Another aspect relates to strains with or without an inactivated DNA repair mechanism. Examples of host strains that can provide a suitable cellular environment that supports mutagenesis mediated by mutated PolI expression include E. coli strains (eg, JS200 and XL1-Blue). The JS200 strain is a representative of a strain having a PolI temperature-sensitive allele (polA12) in its chromosome [Monk, M. et al. and Kinross, J. et al. , J. et al. Bacteriol. 109: 971-78 (1972)]. The XL1-Blue strain is a representative of a strain that has endogenous wild-type PolI activity and is substantially proficient in DNA repair, and therefore co-expression of an exogenous mutant PolI mutant Can be supported. Another aspect relates to many existing strains, which are deficient in a particular enzyme (which can functionally complement), so that the search for the system can be made to the full extent. Become.

インビボで使用される場合、モチーフAおよび/またはモチーフBアミノ酸置換の何れかをコード化している変異性PolI突然変異体を、原核生物宿主へと、環状ベクター(例えば、プラスミド)の一部として又は直鎖状の形態(例えば、細菌性ファージにおける)で導入できる。一態様において、モチーフAおよび/またはモチーフB PolIをコード化しているビヒクル(vehicle)は、非統合形態(an unintegrated form)で残存(remain)していてもよい(例えば、外因性プラスミドとして)。別の態様において、単一の又は複数のコピーの遺伝子(該遺伝子はモチーフAおよび/またはモチーフB 変異誘発因子配列の任意の部分をコード化している)は、原核生物宿主の染色体へと統合され、これにより変異誘発性の(mutator)原核生物の株または細胞系(cell lines)の安定株(stable lines)が発生する。   When used in vivo, mutant PolI mutants encoding either motif A and / or motif B amino acid substitutions are transferred to prokaryotic hosts as part of a circular vector (eg, a plasmid) or It can be introduced in a linear form (eg in bacterial phage). In one embodiment, the vehicle encoding motif A and / or motif B PolI may remain in an unintegrated form (eg, as an exogenous plasmid). In another embodiment, a single or multiple copies of a gene (which encodes any portion of motif A and / or motif B mutagen sequence) are integrated into the chromosome of a prokaryotic host. This produces a mutagenic prokaryotic strain or a stable line of cell lines.

安定な変異誘発性の細胞系を発生させることに関する一例を以下に記載する。   An example relating to generating a stable mutagenic cell line is described below.

低忠実度の変異体をコード化しているPolA1座位の3000bpからなる二重鎖のDNA断片(これは5’および3’側に約1000bpの天然のゲノム配列が隣接したものである)を、温度感受性の複製開始点を有するプラスミドにサブクローニングできる。クロラムフェニコールを、マーカーとしてポジティブ選択に使用できる。また、スクロースをネガティブ選択に使用できる。例えば、生じるプラスミドを使用して、JS200細胞を形質転換できる、またクロラムフェニコール耐性を30℃での許容状態(permissive conditions)下で選択できる。培養を37℃に切り替えて、プラスミド複製を温度感受性PolI対立遺伝子によりブロックすることが可能である。これらの条件は、劇的な成長利点を、変異性PolI突然変異体がその染色体中に統合された細胞に対して与え、37℃で成長する大抵のコロニーがPCRにより確認できる安定な統合体(integrants)であることが予想される。この方法が望ましい結果を生じない場合、スクロースを選択工程で添加して、プラスミドの存在に関して積極的に選択することが可能である。当業者により現在実施される、対立遺伝子置換(allelic substitutions)を発生させるための、いくつかの他の方法が意図される。   A double stranded DNA fragment consisting of 3000 bp of the PolA1 locus encoding a low fidelity variant (which is flanked by about 1000 bp of natural genomic sequence on the 5 'and 3' sides) Can be subcloned into a plasmid with a sensitive origin of replication. Chloramphenicol can be used as a marker for positive selection. Sucrose can also be used for negative selection. For example, the resulting plasmid can be used to transform JS200 cells, and chloramphenicol resistance can be selected under permissive conditions at 30 ° C. The culture can be switched to 37 ° C. and plasmid replication can be blocked by the temperature sensitive PolI allele. These conditions give dramatic growth advantages to cells in which the mutated PolI mutant has integrated into its chromosome, and stable integrants that can be confirmed by PCR for most colonies growing at 37 ° C ( integrals). If this method does not produce the desired result, sucrose can be added in the selection step to select positively for the presence of the plasmid. Several other methods for generating allelic substitutions currently practiced by those skilled in the art are contemplated.

変異性PolI突然変異体により媒介される突然変異誘発に使用される標的DNAにおける非制限的な選択
インビボ突然変異誘発システムは、複数の適切な鋳型を意図(contemplates)する(図3に図示される)。一態様として、標的とされた(targeted)鋳型は、完全長(full−length)のタンパク質又はその任意の断片をコード化している原核生物遺伝子(図3A)であってもよい。
Unrestricted selection in target DNA used for mutagenesis mediated by mutated PolI mutants
The in vivo mutagenesis system contemplates a number of suitable templates (illustrated in FIG. 3). In one aspect, the targeted template may be a prokaryotic gene (FIG. 3A) encoding a full-length protein or any fragment thereof.

別の態様として、標的とされた鋳型は真核生物遺伝子(図3A)であってもよく、該真核生物遺伝子はcDNAまたはゲノムDNA(イントロンなしの)、又はその任意の断片の形態であってもよい。例えば、任意のこれらの形態における真核生物遺伝子を、原核生物株(内因的に温度感受性の又は野生型Pol1を発現する)に外因的に導入し、非忠実(unfaithfully)に複製してもよい。引き続いて、突然変異した真核生物DNAのライブラリを、それらの原核生物宿主から、例えば、プラスミド調製のための又はファージ回収のための従来の方法を用いることにより分離してもよい。一度プラスミドライブラリが単離されたら、それを1以上のエンドヌクレアーゼによる制限酵素消化に供試してもよい(該エンドヌクレアーゼは、対象の標的とされた遺伝子を前記ベクターから解離させるために、分子生物学の当業者に商業的に利用可能なものである)。   In another embodiment, the targeted template may be a eukaryotic gene (FIG. 3A), which is in the form of cDNA or genomic DNA (without introns), or any fragment thereof. May be. For example, a eukaryotic gene in any of these forms may be introduced exogenously into a prokaryotic strain (endogenously temperature sensitive or expresses wild-type Pol1) and replicated unfaithfully. . Subsequently, the library of mutated eukaryotic DNA may be separated from their prokaryotic host, for example by using conventional methods for plasmid preparation or for phage recovery. Once a plasmid library has been isolated, it may be subjected to restriction enzyme digestion with one or more endonucleases (which can be used to dissociate the targeted gene of interest from the vector by molecular organisms). Which is commercially available to those skilled in the art).

これはゲル電気泳動を用い、形態およびサイズの差に基づいてDNA断片を分離することにより容易に実施できる。単離および再精製(repurification)に際し、遺伝子ライブラリを真核生物発現ベクターへのサブクローニングに使用し得る。対象の標的遺伝子を、真核生物細胞または従来の細胞系へと形質転換して、所望の性質または機能に関して選別してもよい。当業者の範囲内の、DNAを操作するための他の手順も意図される。一例として、χ2913recA株(この株はチミジンシンターゼ(ΔthyA572)に欠陥がある)を、oriの下流に配置されるヒトTS cDNAをコード化しているベクターおよび変異性PolI突然変異体を発現するベクターで共形質転換してもよい。   This can be easily done by using gel electrophoresis and separating the DNA fragments based on differences in morphology and size. Upon isolation and repurification, the gene library can be used for subcloning into a eukaryotic expression vector. The target gene of interest may be transformed into eukaryotic cells or conventional cell lines and screened for the desired property or function. Other procedures for manipulating DNA within the skill of the art are also contemplated. As an example, a χ2913recA strain (which is defective in thymidine synthase (ΔthyA572)) was co-expressed with a vector encoding a human TS cDNA placed downstream of ori and a vector expressing a mutant PolI mutant. It may be transformed.

選択は、5−フルオロウラシル(「5FU」)(チミジンシンターゼ(thymidine synthase)の強力な阻害物質)の増加濃度の存在下で実施し得る。5FUに対する抵抗性が増加したクローンを分離できる。また、それらの突然変異を当業者により利用される材料および方法を用いることにより特徴づけることが可能である[Landis et al., Cancer Res. 61: 666−72 (2000)]。   Selection may be performed in the presence of increasing concentrations of 5-fluorouracil (“5FU”), a potent inhibitor of thymidine synthase. Clones with increased resistance to 5FU can be isolated. These mutations can also be characterized by using materials and methods utilized by those skilled in the art [Landis et al. , Cancer Res. 61: 666-72 (2000)].

PolI変異誘発因子によるインビボ突然変異誘発に供試される鋳型は、環状形態(例えば、プラスミド)で、または直鎖状形態で搬送(delivered)し得る。一態様において、鋳型を、ファージゲノム物質(phage genomic material)を1つの変異性PolI突然変異体を発現する原核生物宿主へと注射できるバクテリオファージにより搬送し得る。   Templates that are subjected to in vivo mutagenesis with PolI mutagens can be delivered in a circular form (eg, a plasmid) or in a linear form. In one embodiment, the template may be delivered by a bacteriophage capable of injecting phage genomic material into a prokaryotic host that expresses one mutated PolI mutant.

バクテリオファージが複製に関してPolIに依存する場合(例えば、RNAseH欠乏性のバックグラウンドにおけるバクテリオファージT4[Hobbs, L. S. and Nossal, N. G. J. Bacteriol 178: 6772−6777 (1996)])、宿主におけるウイルス性の複製が鋳型の増幅(expansion)および突然変異誘発を生じて、突然変異体のライブラリが産生される。別の態様として、標的とされた遺伝子(s)をPol1依存的プラスミドに外因的に導入できる、それにはプラスミド ColEl、pBR322、p15A、pMB、pNT7、pVH51、RSF1030、CloDF13、ColE2、pLMV158、pLS1、及びそれらの派生物(derivatives)が含まれる。   When bacteriophage is dependent on PolI for replication (eg, bacteriophage T4 [Hobbs, LS and Nossall, NGJ Bacteriol 178: 6772-6777 (1996)] in an RNAseH deficient background) Viral replication in the host results in template expansion and mutagenesis to produce a library of mutants. In another embodiment, the targeted gene (s) can be introduced exogenously into a Pol1-dependent plasmid, including plasmids ColEl, pBR322, p15A, pMB, pNT7, pVH51, RSF1030, CloDF13, ColE2, pLMV158, pLS1, And their derivatives.

標的プラスミドは、変異性PolI突然変異体(Pol1非依存性の)をコード化しているプラスミドとは別個(distinct)である。その最も単純な形態において、前記システムは、1つのプラスミド(変異性PolI突然変異体をコード化している)および別のプラスミドまたはファージ(標的とされた遺伝子をコード化している)を含む。当業者に知られ且つ実施される遺伝子搬送(gene delivery)の他の方法は、これらの態様に含まれる。   The target plasmid is distinct from the plasmid encoding the mutated PolI mutant (Pol1 independent). In its simplest form, the system includes one plasmid (encoding a mutated PolI mutant) and another plasmid or phage (encoding the targeted gene). Other methods of gene delivery known and practiced by those skilled in the art are included in these embodiments.

酵素修飾に関する変異性PolIランダム突然変異誘発の効力(efficacy)の例として、βラクタマーゼ遺伝子(「TEM−1」)のアイソフォーム(何らかの原核生物性の又は真核生物性の遺伝子に代えて、仮定上の対象の遺伝子を代表する)を、プラスミドに、インビボ突然変異誘発に対する標的として挿入した(以下に提供される実施例2に記載される)。変異性PolI発現に関連するインビボ突然変異誘発の頻度を測定するため、以下に記載されるβラクタマーゼの復帰アッセイ(reversion assay)を使用できる。図3Bに説明されるように、β−ラクタマーゼ遺伝子を鋳型プラスミドに、oriのポジションから(即ち、ColElプラスミドの複製の起点から)増加間隔(an increasing distance)で挿入した(「pLA230」、「pLA700」、「pLA1400」、「pLA2800」、および「pLA3700」)。全ての構築物において、オーカー(ochre)終止コドン(TAA)により、TEM−1 β−ラクタマーゼ遺伝子の翻訳開始から26コドン下流のグルタミン酸(GAA)が置換される。例えば、レポータープラスミドpLA230において、オーカー終止コドンはoriの約230bp下流に配置される。オーカー終止コドン内の大抵の突然変異は、アミノ酸をコード化しているコドンへの復帰を発生し、そしてβ−ラクタマーゼ発現を許容し、突然変異はカルベニシリン耐性コロニーとして計数できる。これらは、これらのコロニーから分離されたプラスミドをシークエンシングすることにより確認し得る。ColElプラスミド配列における変異性PolIの変異原性効果(mutagenic effect)を評価して、変異性PolIを発現している細胞におけるオーカー復帰の頻度と野生型PolIを発現している細胞における前記頻度とを比較できる。染色体DNA内の突然変異頻度を確認(establish)するために、リファンピシン抵抗性(染色体にコード化されるRNA Pol II遺伝子における点突然変異から発生する)を評価し得る[Ovchinnikov et al., Mol. Gen. Genet. 190: 344−348 (1983)]。   As an example of the efficacy of mutated PolI random mutagenesis with respect to enzyme modification, an isoform of the β-lactamase gene ("TEM-1") (instead of any prokaryotic or eukaryotic gene, hypothesized (Representing the gene of interest above) was inserted into a plasmid as a target for in vivo mutagenesis (described in Example 2 provided below). To determine the frequency of in vivo mutagenesis associated with mutated PolI expression, the β-lactamase reversion assay described below can be used. As illustrated in FIG. 3B, the β-lactamase gene was inserted into the template plasmid from the ori position (ie, from the origin of replication of the ColEl plasmid) at an increasing distance (“pLA230”, “pLA700”). ”,“ PLA1400 ”,“ pLA2800 ”, and“ pLA3700 ”). In all constructs, an ocher stop codon (TAA) replaces glutamic acid (GAA) 26 codons downstream from the start of translation of the TEM-1 β-lactamase gene. For example, in the reporter plasmid pLA230, the ocher stop codon is located about 230 bp downstream of ori. Most mutations within the ocher stop codon result in reversion to the codon encoding the amino acid and allow β-lactamase expression, and the mutations can be counted as carbenicillin resistant colonies. These can be confirmed by sequencing plasmids isolated from these colonies. The mutagenic effect of mutagenic PolI in the ColEl plasmid sequence was evaluated, and the frequency of ocher reversion in cells expressing mutagenic PolI and the frequency in cells expressing wild-type PolI were determined. You can compare. To confirm the frequency of mutations in the chromosomal DNA, rifampicin resistance, which arises from point mutations in the chromosome-encoded RNA Pol II gene, can be assessed [Ovchinnikov et al. , Mol. Gen. Genet. 190: 344-348 (1983)].

β−ラクタマーゼ遺伝子をインビボ突然変異誘発に、アズトレオナムの増加濃度(increasing concentrations)が存在する条件下で供試して、アズトレオナムのβ−ラクタマーゼ基質認識を改善する突然変異を選択する。β−ラクタマーゼのTEM−1アイソフォームは、最も頻繁に発生するβ−ラクタマーゼであり、グラム陰性の臨床分離株中に発見される。これはアミド結合加水分解(amide−bond hydrolysis)によるβラクタムの触媒的分解(catalytic degradation)において機能する[Wiedemann et al., J. Antimicrob. Chemother. 24Suppl. B: 1−22 (1989)]。β―ラクタマーゼの触媒効力(catalytic efficiency)は、基質として使用されたβ−ラクタムに依存して、非常に変化する。β−ラクタマーゼはペニシリンを高効率で分解するが、β−ラクタマーゼによるセファロスポリンの加水分解は不十分(poor)であり、より新しい広範囲スペクトル抗生物質に対しては残効性(residual activity)のみを有している。広範囲スペクトル抗生物質(Extended−spectrum antibiotics)は、アズトレオナムおよび第三世代のセファロスポリン(例えば、セフォタキシムおよびセフタジジム)を含み、これらは特異的にデザインされて、β−ラクタマーゼによる認識が最小化されるバルキー付加物(bulky adducts)を保有するものである。図4は、これらβ−ラクタム基質の各々の代表の構造を説明する(ペニシリン、セファロスポリン、およびアズトレオナムを含む)。アズトレオナムは、実施例4および7において選択剤(selective agent)として使用された。   The β-lactamase gene is tested for in vivo mutagenesis under conditions where increasing concentrations of aztreonam are present to select mutations that improve β-lactamase substrate recognition of aztreonam. The TEM-1 isoform of β-lactamase is the most frequently occurring β-lactamase and is found in gram-negative clinical isolates. It functions in the catalytic degradation of β-lactams by amide-bond hydrolysis [Wiedemann et al. , J. et al. Antimicrob. Chemother. 24 Suppl. B: 1-22 (1989)]. The catalytic efficacy of β-lactamase varies greatly depending on the β-lactam used as a substrate. β-Lactamase degrades penicillin with high efficiency, but the hydrolysis of cephalosporin by β-lactamase is poor and only residual activity for newer broad spectrum antibiotics have. Extended-spectrum antibiotics include aztreonam and third-generation cephalosporins (eg, cefotaxime and ceftazidime) that are specifically designed to minimize recognition by β-lactamase Holds bulky adducts. FIG. 4 illustrates the representative structure of each of these β-lactam substrates (including penicillin, cephalosporin, and aztreonam). Aztreonam was used as a selective agent in Examples 4 and 7.

β−ラクタマーゼの進化(診療所における広範囲スペクトル抗生物質の広範な使用における圧力下で自然に生じる)[Medeiros, A., Clin. Infect. Dis. 24Suppl. 1: S19−45 (1997)に論評される]を、研究室でシミュレートできる[Long−McGie et al, Biotechnol. Bioeng. 68: 121−5 (2000); Zaccolo, M. and Gherardi, E., J Mol. Biol. 285: 775−83 (1999); Orencia et al., Nat. Struct. Biol. 8: 238−42 (2001)]。臨床分離株および研究室での選択から、少なくとも2つの特定のアミノ酸置換が、広範囲スペクトルβ−ラクタムに対する実質的な抵抗性に対して必要であることが知られている[Knox Antimicrob. Agents Chemoth. 39: 2543−2601 (1995)に論評される]。抵抗性の突然変異は、全体で37の異なるポジションで同定されており、これらはhttp://www.lahey.org/studies/temtable/htmにリストされている。これらの突然変異は、大きく2つのカテゴリーに分類される、即ち: 突然変異の1つのグループ〔R164 S/H(アルギニンからセリンまたはヒスチジン)およびG238S(グリシンからセリン)を含む〕は、活性部位の近くで発生し、β−ラクタマーゼ酵素の触媒効力を増加させる。   Evolution of β-lactamase, which occurs naturally under pressure in the widespread use of broad spectrum antibiotics in the clinic [Medeiros, A. , Clin. Infect. Dis. 24 Suppl. 1: commented on S19-45 (1997)] can be simulated in the laboratory [Long-McGie et al, Biotechnol. Bioeng. 68: 121-5 (2000); Zaccolo, M .; and Gherardi, E .; , J Mol. Biol. 285: 775-83 (1999); Orencia et al. , Nat. Struct. Biol. 8: 238-42 (2001)]. From clinical isolates and laboratory selections, it is known that at least two specific amino acid substitutions are required for substantial resistance to a broad spectrum β-lactam [Knox Antimicrob. Agents Chemoth. 39: 2543-2601 (1995)]. Resistant mutations have been identified in a total of 37 different positions, which can be found at http: // www. lahey. org / studios / temtable / html. These mutations fall into two broad categories: one group of mutations (including R164 S / H (arginine to serine or histidine) and G238S (glycine to serine)) are active site It occurs nearby and increases the catalytic potency of the β-lactamase enzyme.

E104K(グルタミン酸からリジン)およびM182T(メチオニンからスレオニン)を含む第二のグループに属する突然変異は、典型的には活性部位から離れて位置する。それらは、触媒部位における突然変異に応答して選択される可能性が最も高く、これらの突然変異から生じる不安定効果(destabilizing effects)を抑制する[Petrosino J. et al., Trends Microbiol. 8: 323−327 (1998)]。   Mutations belonging to the second group, including E104K (glutamic acid to lysine) and M182T (methionine to threonine) are typically located away from the active site. They are most likely selected in response to mutations at the catalytic site and suppress the destabilizing effects resulting from these mutations [Petrosino J. et al. et al. , Trends Microbiol. 8: 323-327 (1998)].

β−ラクタマーゼ遺伝子の突然変異誘発(アズトレオナム選択と連結した)を選択することにより、酵素修飾に関する変異性PolIランダム突然変異誘発の使用が確証(validate)された。以下の2つの考慮が、標的の選択において重大であった、即ち:   Selecting mutagenesis of the β-lactamase gene (coupled with aztreonam selection) validated the use of mutated PolI random mutagenesis for enzyme modification. The following two considerations were critical in target selection:

(1)臨床分離株および研究室における選択の研究により確立されたこと、即ちβ−ラクタマーゼ遺伝子を突然変異を介してアズトレオナムを基質として認識するよう修飾できること;および(2)少なくとも2つの特異的なアミノ酸置換が、実質的なアズトレオナム抵抗性を達成するために必要であること、である。このことにより自発性(spontaneous)の突然変異が一因となる潜在的なバックグラウンドが減少する。というのも、それらが1を超えるアミノ酸置換を発生することは非常にありそうもない(その頻度は低いため(JS200細胞において10−7))ためである。 (1) established by clinical isolates and laboratory selection studies, ie the β-lactamase gene can be modified to recognize aztreonam as a substrate via mutation; and (2) at least two specific Amino acid substitutions are necessary to achieve substantial aztreonam resistance. This reduces the potential background contributed by spontaneous mutations. This is because they are very unlikely to generate more than one amino acid substitution (because the frequency is low (10 −7 in JS200 cells)).

変異性PolI突然変異体により媒介される標的DNAのインビボ突然変異誘発に関する方法(選択またはスクリーニングとの組み合わせ)
変異性PolI突然変異体により媒介されるインビボ突然変異誘発を実行するために具現化された方法に関連して、以下は次の開示を提供する: (1)連続的な培養における変異性Pol1媒介性の突然変異誘発の利点および適用、および(2)至適化された培養条件のパラメーター。これらの態様に関する特定の実施例が、参照され、以下のセクションにおいて提供される。
Methods for in vivo mutagenesis of target DNA mediated by mutated PolI mutants (selection or in combination with screening)
In connection with the methods embodied to perform in vivo mutagenesis mediated by mutant PolI mutants, the following provides the following disclosure: (1) Mutant Pol1 mediated in continuous culture Advantages and applications of sexual mutagenesis, and (2) parameters of optimized culture conditions. Specific examples relating to these aspects are referenced and provided in the following sections.

酵素修飾のための培養における変異性Pol1媒介性の突然変異誘発の利点および適用
ランダム突然変異誘発の方法(選択またはスクリーニングが引き続く)により、酵素の配列、構造、および機能的なスペースの連続的な探索が、詳細な機構的な又は構造上の情報がない条件下で可能である[Skandalis et al., Chem. Biol. 4: 889−98 (1997)]。突然変異誘発および選択/スクリーニングを反復性の様式(iterative fashion)で反復し得る。これは配列スペース(sequence space)が、「定方向進化(directed evolution)」と称されるアプローチにおいて、性能を改善する変化に対して方向付けられるように行われる。突然変異誘発および選択を、同時に連続的な培養において実行することにより、選択工程間で標的DNAを回収する必要性が回避される。
The advantage of mutated Pol1-mediated mutagenesis in culture for enzyme modification and applied random mutagenesis methods (followed by selection or screening) allow continuous sequencing of enzyme sequence, structure, and functional space Searches are possible under conditions where there is no detailed mechanistic or structural information [Skandalis et al. Chem. Biol. 4: 889-98 (1997)]. Mutagenesis and selection / screening can be repeated in an iterative fashion. This is done so that the sequence space is directed to changes that improve performance in an approach referred to as “directed evolution”. By performing mutagenesis and selection simultaneously in continuous culture, the need to recover target DNA between selection steps is avoided.

定方向進化により、配列スペースの小さいフラクションのみがなお探索(explores)される。従って、至適な溶液(solutions)を達成すること又は新しい触媒機能を進化させることはなさそうである。   Due to the directed evolution, only fractions with a small sequence space are still explored. Therefore, it is unlikely to achieve optimal solutions or evolve new catalytic functions.

配列における大きな跳躍(Larger leaps)は、活性に関して前選別(prescreened)された突然変異体のライブラリー内の又は酵素のファミリー内の、配列のシャッフリングにより達成することが可能である[Smith, G. P. , Nature. 370: 324−5 (1994); Crameri, A. et al., Nature. 391: 288−91 (1998)]。一態様において、本発明は、これらのシャッフリング技術と組み合わせて使用することも可能である。変異性PolI突然変異体は、インビトロおよびインビボにおける、これらのシャッフリングのプロセスの間に、付加的な突然変異を産生し得る。   Large leap in sequences can be achieved by shuffling sequences within a library of mutants prescreened for activity or within a family of enzymes [Smith, G. et al. P. , Nature. 370: 324-5 (1994); Crameri, A .; et al. , Nature. 391: 288-91 (1998)]. In one aspect, the present invention can also be used in combination with these shuffling techniques. Mutant PolI mutants can produce additional mutations during these shuffling processes in vitro and in vivo.

本発明の変異性DNAポリメラーゼは、医学的分野において、薬剤開発および遺伝子治療の双方において潜在的な適用を有している。例えば、ランダム突然変異誘発は、癌の管理(management)に関して修飾された酵素の産生を助けて(instrumental)いる[Encell L.P. et al., Nat. Biotechnol. 17: 143−7 (1999)]。   The mutated DNA polymerases of the present invention have potential applications in the medical field in both drug development and gene therapy. For example, random mutagenesis is instrumental in the production of modified enzymes with respect to cancer management [Encell L. et al. P. et al. , Nat. Biotechnol. 17: 143-7 (1999)].

これらは、癌治療の副作用を減少させるよう設計された突然変異体および改善されたプロドラッグ活性化特性(pro−drug−activating properties)を有する突然変異体を含む。前者の例には、次の事項が含まれる: 5−フルオロウラシル(5−flourouracil)に対するチミジル酸シンターゼ耐性;アルキル化薬に対する及び6−ベンゾグアニン(6−benzoguanine)に対する6−メチルグアニン−メチルトランスフェラーゼ耐性;およびメトトレキセートに対するジヒドロ葉酸レダクターゼ耐性。後者の例には、ガンシクロビル(gancyclovir)またはアシクロビル(acyclovir)に対して増強された特異性を有するチミジル酸キナーゼ、Ara−Cに対して特異的なデオキシシチジン−キナーゼ突然変異体、および5−フルオロシトシン(5−fluorocytosine)に対して特異的なシトシンデアミナーゼ(cytosine deaminase)が含まれる。   These include mutants designed to reduce the side effects of cancer treatment and mutants with improved pro-drug-activating properties. Examples of the former include: thymidylate synthase resistance to 5-fluorouracil; 6-methylguanine-methyltransferase resistance to alkylating drugs and to 6-benzoguanine And dihydrofolate reductase resistance to methotrexate. Examples of the latter include thymidylate kinase with enhanced specificity for gancyclovir or acyclovir, a deoxycytidine-kinase mutant specific for Ara-C, and 5-fluoro Cytosine deaminase specific for cytosine (5-fluorocytosine) is included.

また、本発明の変異性PolI突然変異体は、ランダム突然変異誘発による酵素修飾の促進において潜在的な適用を有しており、その領域は化学合成、バイオレメディエーション、および食物加工(food processing)のように多岐にわたる[Chirumamilla et al., Mol. Cell Biochem. 224: 159−68 (2001); Schmidt−Dannert et al., Trends Biotechnol. 17: 135−6 (1999)に論評される]。本発明のPolI突然変異体を使用して、変更された基質特異性を有する酵素を作出でき、これには変更された、エステラーゼ、リパーゼ、チトクロムオキシダーゼ、およびジオキシゲナーゼ、および非天然環境(non−natural environments)(例えば、アルカリ性条件、高温(heat)、低温(cold)、および/または金属キレーターの存在)において改善された触媒作用を有する酵素が含まれる。例えば、PolI突然変異体を使用して、変更された基質特異性を有する酵素を作出し、化学合成の効率および鏡像異性上の純度(enantiomeric purity)を改善し得る。高温に対して及び金属キレーターの存在に対して抵抗性の酵素を、変異性PolI突然変異誘発により取得して、化学合成における生体触媒(biocatalysis)の速度(rates)を改善し得る。また、PolI突然変異体を使用して、クリーニング店において色素の分解に対するアルカリ条件への抵抗性を与える、又は食物加工の適用において低温条件への抵抗性を与える、酵素を産生し得る。   In addition, the mutated PolI mutants of the present invention have potential application in promoting enzyme modification by random mutagenesis, a domain that is used in chemical synthesis, bioremediation, and food processing. [Chillamilla et al. , Mol. Cell Biochem. 224: 159-68 (2001); Schmidt-Danert et al. , Trends Biotechnol. 17: 135-6 (1999)]. The PolI mutants of the present invention can be used to create enzymes with altered substrate specificity, including altered esterases, lipases, cytochrome oxidases, and dioxygenases, and non-natural environments (non- Natural enzymes (eg, alkaline conditions, high temperatures, cold, and / or the presence of metal chelators) include enzymes with improved catalysis. For example, PolI mutants can be used to create enzymes with altered substrate specificity to improve the efficiency of chemical synthesis and enantiomeric purity. Enzymes that are resistant to high temperatures and to the presence of metal chelators can be obtained by mutated PolI mutagenesis to improve the rate of biocatalysis in chemical synthesis. PolI mutants can also be used to produce enzymes that provide resistance to alkaline conditions for pigment degradation in a cleaning shop or resistance to low temperature conditions in food processing applications.

本発明は、新たに出現した分野(emerging fields)における、予知可能な(foreseeable)適用を有し、これには生物工学、遺伝子治療、およびバイオレメディエーションが含まれる。DNA特異的な試薬(例えば、リコンビナーゼおよび制限酵素)による基質認識のカスタマイゼーション(customization)[Buchholz et al., Nature Biotechnol. 19: 1047−52 (2001); Santoro et al., Proc. Natl. Acad. Sci. U S A, 99: 4185−90(2002)]、またはアルカン分解(alkane degradation)に関する酵素の改善[Belhaj et al., Res. Microbiol. 153: 339−344 (2002)]は、本発明の態様の使用により利益を得られる、新たに出現した領域の2例である。   The present invention has foreseeable applications in emerging fields, including biotechnology, gene therapy, and bioremediation. Customization of substrate recognition by DNA-specific reagents such as recombinases and restriction enzymes [Buchholz et al. , Nature Biotechnol. 19: 1047-52 (2001); Santoro et al. , Proc. Natl. Acad. Sci. U S A, 99: 4185-90 (2002)], or enzyme improvements related to alkane degradation [Belhaj et al. , Res. Microbiol. 153: 339-344 (2002)] are two examples of newly emerging regions that can benefit from use of aspects of the present invention.

至適化された培養条件下でのインビボ突然変異誘発および選択/スクリーニング
対象の配列を標的にできる、増強された突然変異誘発を発生させるための方法が提供される。ここで、モチーフAおよび/またはBにアミノ酸置換を保持する変異性PolI突然変異体(例えば、ポジションI709N/FおよびA759Rでのアミノ酸置換を含む)は、宿主株において、慎重にコントロールされた培養条件下で発現される(以下の実施例2に記載)。一態様において、前記方法は、原核生物性の宿主株を発現ベクター(該発現ベクターは、1以上の変異性PolI突然変異体をコード化する、任意の多数の形態を有する)で形質転換することと、および第二ベクター(例えば、1以上の標的遺伝子をコード化するプラスミド)を形質転換することと、を含む。別の態様において、前記方法は、変異性PolI突然変異体をコード化する、1以上のコピーの遺伝子または断片を、細胞系または宿主株の染色体内に導入することと、および引き続いて、前記突然変異体を発現している細胞の集団を、ベクター(例えば、1以上の標的遺伝子をコード化するプラスミド)で形質転換することと、を含む。一態様において、コントロールされた条件は、形質転換された細胞の培養物を、豊富な培地(rich media)中で成長させることと、および培養物を固定された成長期(a stationary growth phase)(例えば、接種後の15時間に得られる成長ステージ)に至らせ且つ維持(reach and maintain)することと、を含む。好適な態様として、変異性PolIが至適な変異原性の性能を達成する培養条件は:(1)形質転換された宿主株培養物を、指数的増加(例えば、OD600〜0.5)の細胞密度指標(a cell density indicative)で成長させることと;(2)前記培養物を低濃度(例えば、1:10)に、栄養分豊富な培地(例えば、2XYT)を37℃で予熱した培地中で希釈することと;(3)前記培養物を付加的な時間(例えば、15分間、37℃で)インキュベートすることと;および(4)前記培養物を37℃振盪機に配置して、飽和点(例えば、15時間)に至らせることと、を含む。
In vivo mutagenesis and selection / screening under optimized culture conditions
Methods are provided for generating enhanced mutagenesis that can target sequences of interest. Here, mutated PolI mutants that retain amino acid substitutions in motif A and / or B (eg, including amino acid substitutions at positions I709N / F and A759R) are carefully controlled in culture conditions in the host strain. Expressed below (described in Example 2 below). In one embodiment, the method comprises transforming a prokaryotic host strain with an expression vector (the expression vector has any number of forms encoding one or more mutated PolI mutants). And transforming a second vector (eg, a plasmid encoding one or more target genes). In another embodiment, the method comprises introducing one or more copies of a gene or fragment encoding a mutated PolI mutant into the chromosome of a cell line or host strain, and subsequently said suddenly Transforming a population of cells expressing the mutant with a vector (eg, a plasmid encoding one or more target genes). In one aspect, the controlled conditions include growing a culture of transformed cells in rich media, and a stationary growth phase of the culture ( For example, reaching and maintaining (growth stage obtained 15 hours after inoculation). In a preferred embodiment, the culture conditions under which the mutated PolI achieves optimal mutagenic performance are: (1) an exponentially increasing (eg OD 600-0.5) of transformed host strain culture Growing at a cell density index; (2) medium pre-heated at 37 ° C. to a low concentration (eg, 1:10 5 ) and nutrient rich medium (eg, 2XYT) Diluting in; (3) incubating the culture for an additional time (eg, 15 minutes at 37 ° C.); and (4) placing the culture on a 37 ° C. shaker; Reaching a saturation point (eg, 15 hours).

別の態様として、変異性PolI突然変異体を使用して、標識プラスミドDNA又はその断片をインビボで産生し得る。例えば、1以上の標識ヌクレオチドまたはヌクレオシド アナログを前記培養基(culture medium)に添加して、標的プラスミドDNA(target plasmid DNA)を複製したコピーへと導入させ得る。関連した態様として、変異性PolI突然変異体を、細胞抽出物から組換え型タンパク質として精製し、そしてマイクロアレイ分析または他のハイスループットなDNA標識化手順のための或いはシークエンシング目的のための標的配列を含有しているインビトロ反応へと添加し得る。修飾されたデオキシヌクレオシド三リン酸(「dNTPs」)またはヌクレオチド アナログには、dATPs、dGTPs、dCTPs、dTTPs、dUTPs、およびdITPsが含まれる。また、関連するアナログを、任意の組み合わせでインビトロDNA重合反応に添加し得る[Glick et al., Biotechniques 33 (5): 1136−42 (2002)]。これらのヌクレオチドおよびヌクレオシドを、蛍光(ローダミン緑色、フルオレッセイン)、化学発光(ビオチン)、または放射能(γ[32P])による検出のための基(groups)を共有結合性に付着(covalent attachment)させることにより修飾し得る。前記ヌクレオシドおよびヌクレオチド アナログは、当業者に既知の方法で合成し得る。 In another embodiment, a mutated PolI mutant can be used to produce labeled plasmid DNA or a fragment thereof in vivo. For example, one or more labeled nucleotides or nucleoside analogs can be added to the culture medium to introduce target plasmid DNA into replicated copies. In a related embodiment, the mutated PolI mutant is purified as a recombinant protein from cell extracts and the target sequence for microarray analysis or other high-throughput DNA labeling procedures or for sequencing purposes Can be added to in vitro reactions containing. Modified deoxynucleoside triphosphates (“dNTPs”) or nucleotide analogs include dATPs, dGTPs, dCTPs, dTTPs, dUTPs, and dITPs. In addition, related analogs can be added to the in vitro DNA polymerization reaction in any combination [Glick et al. , Biotechniques 33 (5): 1136-42 (2002)]. These nucleotides and nucleosides are covalently attached to groups for detection by fluorescence (rhodamine green, fluorescein), chemiluminescence (biotin), or radioactivity (γ [ 32 P]). modification). The nucleoside and nucleotide analogs can be synthesized by methods known to those skilled in the art.

提供された組成物および方法を用いると、モチーフAおよび/またはモチーフBに突然変異を保持する変異性PolI突然変異体は突然変異誘発の頻度を増加させる、この突然変異誘発の頻度は4および5桁分、野生型PolIの頻度よりも大きく、400倍までの差を染色体に比例して有している(以下に提供される実施例3に示される)。前記組成物および方法により、oriから離れて位置するヌクレオチド(以前に研究者によって報告された400bpの限度をはるかに超える、3700bpの距離を含む)をターゲティング(targeting)する突然変異誘発が可能となる。従って、多様な原核生物及び真核生物の遺伝子を、本発明により標的化し得る。   Using the provided compositions and methods, a mutated PolI mutant carrying a mutation in motif A and / or motif B increases the frequency of mutagenesis, the frequency of mutagenesis being 4 and 5 It has orders of magnitude greater than the frequency of wild-type PolI and up to 400-fold in proportion to the chromosome (shown in Example 3 provided below). The compositions and methods allow for mutagenesis to target nucleotides located away from ori, including a distance of 3700 bp far beyond the 400 bp limit previously reported by researchers. . Thus, a variety of prokaryotic and eukaryotic genes can be targeted by the present invention.

本発明の組成物および方法は、対象の配列のターゲティングを可能にし、多様な突然変異スペクトル(a diverse mutation spectrum)および広い分布の突然変異(a wide distribution of mutations)を生じる(以下に提供される実施例4に示される)。本発明の突然変異誘発システムは、現存の変異誘発株(mutator strains)に関連して、付加的な利点を提供する。結果的に、本発明の一態様が代表する突然変異誘発システムは、異なる株に容易に適用され得る(以下に提供される実施例6に示される)。適切な宿主株は以下を含む: (1)内因的に温度感受性のDNA PolI対立遺伝子を発現する株、(2)野生型DNAポリメラーゼ;および(3)野生型DNApolおよび野生型DNA修復表現型の双方。ランダム突然変異誘発を達成させる、多様な株において変異性PolIの至適な発現レベルを調整するために、誘導性のプロモータを使用し得る。インビボ突然変異誘発システムの他の態様は多数の現存の株に関し、これらの株は、特定の酵素に欠陥がある及び相補性を受け入れることが知られる株である(例えば、上記のチミジンシンターゼに欠陥のあるχ2913recA株)。   The compositions and methods of the present invention allow for the targeting of sequences of interest and produce a diverse mutation spectrum and a wide distribution of mutations (provided below) As shown in Example 4). The mutagenesis system of the present invention provides additional advantages in connection with existing mutator strains. As a result, the mutagenesis system represented by one aspect of the present invention can be easily applied to different strains (shown in Example 6 provided below). Suitable host strains include: (1) a strain that expresses an endogenous temperature sensitive DNA PolI allele, (2) a wild type DNA polymerase; and (3) a wild type DNA pol and a wild type DNA repair phenotype both. Inducible promoters can be used to adjust the optimal expression level of mutated PolI in various strains that achieve random mutagenesis. Other aspects of the in vivo mutagenesis system relate to a number of existing strains, which are strains that are defective in certain enzymes and known to accept complementation (eg, defective in thymidine synthase described above). Χ2913recA strain).

前記組成物および方法の態様は、標的遺伝子内の有益な突然変異の蓄積を可能とする(連続培養において)。アズトレオナムの濃度を増加することによる2つの独立した選択を、至適化した変異原性条件(mutagenic conditions)下で実施して、各選択からβ−ラクタマーゼバリアントを提示している23配列を取得した(以下に提供される実施例4および7に示される)。2つの既知のアミノ酸置換が、これらの選択において同定された、即ち: E104K(グルタミン酸がリジンにポジション104で変化した)およびR164H(アルギニンがヒスチジンにポジション164で変化した)が選択1において及びSへの変化(アルギニンがセリンにポジション164で変化した)が選択2において。加えて、新規の変異、G267R(グリシンがアルギニンにポジション267で変化した)が、選択1において同定された。前記突然変異は、G267R突然変異(E104KおよびR164H突然変異に引き続いた)により例示されたとおり、この系において経時的(sequentially)に発生し得る。これはサイレント突然変異をコード化する単一のクローンにおいて発見され、該サイレント突然変異はシークエンシングされたE104KおよびR164H突然変異を保有している全ての他のプラスミドにも存在している。他のサイレント突然変異はみつからなかった。実施例7における表4は、ベクターへのサブクローニング後の、これらのアミノ酸置換の異なる組み合わせに対応するアズトレオナム表現型を示す(これらは変異性PolI突然変異体により複製されず、他の突然変異が存在しなかったことを保証(ensure)している)。図10は、アズトレオナム抵抗性の用量反応曲線を示す(これらのアズトレオナム抵抗性 突然変異の代表的なサブセット(subset)により取得された)。全ての非同義突然変異(non−synonymous mutations)がアズトレオナム抵抗性に寄与した。無関係(irrelevant)の突然変異のほとんど完全な非存在は、予期された低い突然変異負荷と矛盾するものではなく、そして各突然変異がβ−ラクタマーゼ抗生物質への抵抗性の自然な進化を刺激するプロセスにおいて、経時的に出現することを示唆している[Negri et al., Antimicrob. Agents Chemother. 44: 2485−2491 (2000); Vuye et al., Antimicrob. Agents Chemother. 33: 757−761 (1989)]。相対的に穏やかな突然変異誘発条件は、大きいサイズのプール(約1011プラスミド)による及び反復性の機能的な選択の識別力(discriminating power)によるオフセット(offset)を超えるものである。単一のβ−ラクタマーゼ配列における3つの関連性のある突然変異の発見〔10−10の確率[Long−McGie et al., Biotechnol. Bioeng. 68: 121−5 (2000)]〕は、本発明の態様により可能となった配列スペースの効率的な探索の実例(illustration)である。 The composition and method aspects allow the accumulation of beneficial mutations in the target gene (in continuous culture). Two independent selections by increasing the concentration of aztreonam were performed under optimized mutagenic conditions to obtain 23 sequences displaying β-lactamase variants from each selection. (Shown in Examples 4 and 7 provided below). Two known amino acid substitutions were identified in these selections: E104K (glutamic acid changed to lysine at position 104) and R164H (arginine changed to histidine at position 164) in selection 1 and to S Change (arginine changed to serine at position 164) in selection 2. In addition, a new mutation, G267R (glycine changed to arginine at position 267) was identified in selection 1. The mutation can occur sequentially in this system, as exemplified by the G267R mutation (followed by the E104K and R164H mutations). This is found in a single clone encoding a silent mutation, which is also present in all other plasmids carrying sequenced E104K and R164H mutations. No other silent mutations were found. Table 4 in Example 7 shows the aztreonam phenotypes corresponding to different combinations of these amino acid substitutions after subcloning into the vector (these are not replicated by the mutated PolI mutant and other mutations are present) (Ensure that they did not). FIG. 10 shows a dose response curve of aztreonam resistance (obtained by a representative subset of these aztreonam resistant mutations). All non-synonymous mutations contributed to aztreonam resistance. The almost complete absence of irrelevant mutations is not inconsistent with the expected low mutational load and each mutation stimulates the natural evolution of resistance to β-lactamase antibiotics In the process, it is suggested to appear over time [Negri et al. , Antimicrob. Agents Chemother. 44: 2485-2491 (2000); Vuee et al. , Antimicrob. Agents Chemother. 33: 757-761 (1989)]. The relatively mild mutagenesis conditions are beyond the offset by the large size pool (approximately 10 11 plasmids) and by the discriminating power of repetitive functional selection. The discovery of the three relevant mutations in a single β- lactamase sequences [10 -10 probability [Long-McGie et al. , Biotechnol. Bioeng. 68: 121-5 (2000)]] is an illustration of an efficient search of sequence space made possible by aspects of the present invention.

前記組成物および方法を、新規の抵抗性突然変異(例えば、G267R)の進化を予想する予後的な目的(prognostic purposes)で、選択工程により臨床分離株において発見される最も一般的な突然変異を同定できるとの事実に基づいて使用できる。本発明の態様は、自然に発生する突然変異体と比較して、より偏った(biased)表現(representation)を産する、多くの他の突然変異誘発アプローチとは似ていない[Orencia et al., Nat. Struct. Biol. 8: 238−242 (2001)を参照]。突然変異(ポジションE104およびR164)は、自然に発生する臨床分離株において最も頻繁に発見される(http://www.lahev.org/studies/temtable. htm)。このことは、多様で広く分布した(a diverse and well−distributed)突然変異スペクトル(内因的に発生する突然変異に近似(approximates)する)と矛盾しない[Schaaper R., R.M. and Dunn, R.L. Genetics 129,317−326 (1991)]。突然変異はポジションG267において以前に報告されておらず、それゆえにG267Rはアズトレオナム抵抗性を付与する新規の決定要因(determinant)を代表する。この突然変異は、B5β−シートをN末端H11ヘリックスに連結しているループに位置しており、これは臨床分離株において三番目に頻繁な突然変異であるG238S(グリシンがセリンにポジション238で変化する)の存在下でシフトを受ける。   The compositions and methods are used to identify the most common mutations found in clinical isolates by the selection process, with prognostic purposes predicting the evolution of new resistant mutations (eg, G267R). It can be used based on the fact that it can be identified. Aspects of the invention do not resemble many other mutagenesis approaches that produce a more biased representation compared to naturally occurring mutants [Orencia et al. , Nat. Struct. Biol. 8: 238-242 (2001)]. Mutations (positions E104 and R164) are most frequently found in naturally occurring clinical isolates (http://www.lahev.org/studios/temtable.htm). This is consistent with a diverse and well-distributed mutation spectrum (approximates to endogenously generated mutations) [Schaper R. et al. , R.A. M.M. and Dunn, R.A. L. Genetics 129, 317-326 (1991)]. A mutation has not been previously reported at position G267 and therefore G267R represents a new determinant conferring aztreonam resistance. This mutation is located in the loop connecting the B5β-sheet to the N-terminal H11 helix, which is the third most frequent mutation in clinical isolates, G238S (glycine changes to serine at position 238). Receive a shift in the presence of

これらの態様に関するサポートを提供するため、実験データを実施例2から7に提供する、これら実施例は本セクションの終わりに引き続いて記載される。特定の本発明の態様が本明細書中に例示の目的で記載されるが、様々な修飾を本発明の精神(spirit)および範囲(scope)を逸脱することなく達成し得ることを理解すべきである。従って、本発明は、本願に添付された特許請求の範囲による以外には限定されない。 To provide support for these aspects, experimental data is provided in Examples 2-7, which are described following the end of this section. While specific embodiments of the invention are described herein for purposes of illustration, it should be understood that various modifications can be made without departing from the spirit and scope of the invention. It is. Accordingly, the invention is not limited except as by the appended claims appended hereto.

以下の実施例は、様々な状況(context)における本発明の態様を実証する。実施例1において、低忠実度の大腸菌PolI突然変異体(該突然変異体はモチーフAおよび/またはBにおいて操作される)を構築する方法が提供される。実施例2において、プラスミド特異的なインビボ突然変異誘発の頻度の上昇に関して、至適化された培養条件が提供される。実施例3において、D424A I709N A759R PolI変異体により媒介される、インビボでターゲッティングされるプラスミドの効率における相乗効果及び培養条件に対するその感受性が提供される。実施例4において、D424A I709N A759R PolI変異体の発現に際する、標的配列/β−ラクタマーゼに導入された突然変異のスペクトルおよび頻度が提供される。実施例5において、複製開始点(ori)からの距離の関数(function)として、標的プラスミドにおける突然変異の頻度が提供される。実施例6において、宿主細胞におけるインビボ突然変異誘発の頻度における、D424A I709N A759R Pol発現の効果(該宿主細胞は内因的に野生型PolIを産生し、DNA修復に熟達(proficient)している細胞である)が提供される。実施例7において、選択圧(例えば、アズトレオナムの濃度の増加)下での定方向進化の例が提供される。   The following examples demonstrate aspects of the present invention in various contexts. In Example 1, a method is provided for constructing a low-fidelity E. coli PolI mutant that is engineered in motif A and / or B. In Example 2, optimized culture conditions are provided for increasing the frequency of plasmid-specific in vivo mutagenesis. In Example 3, a synergistic effect on the efficiency of a plasmid targeted in vivo mediated by the D424A I709N A759R PolI mutant and its sensitivity to culture conditions is provided. In Example 4, the spectrum and frequency of mutations introduced into the target sequence / β-lactamase upon expression of the D424A I709N A759R PolI variant is provided. In Example 5, the frequency of mutation in the target plasmid is provided as a function of distance from the origin of replication (ori). In Example 6, the effect of D424A I709N A759R Pol expression on the frequency of in vivo mutagenesis in the host cell (the host cell endogenously produces wild-type PolI and is proficient in DNA repair). Is provided). In Example 7, an example of directed evolution under selective pressure (eg, increasing the concentration of aztreonam) is provided.

実施例1
変異性PolI突然変異体の構築
Example 1
Construction of mutated PolI mutants

実施例1〜7に使用される、本発明の変異性PolI突然変異体をコード化しているプラスミドの構築は、以下の方法で作出された。大腸菌(E.coli)DH5αpolAを、コロニー ポリメラーゼ連鎖反応法で59−ATATATATAAGCTTATGGTTCAGATCCCCCAAAATCCACTTATC−39および59−ATATATATGAATTCTTAGTGCGCCTGATCCCAGTTTTCGCCACT−39をプライマーとして用いて増幅した。pECpol Iを作出するため、3キロベースペアの増幅した断片をHindIIIおよびEcoRlで消化して、次にラクトースプロモーターの支配下にpHSG576へとクローン化した(これは低コピー数のプラスミドであり、pol1−非依存性の起点および選択可能なマーカーとしてクロラムフェニコールを有する)。部位特異的突然変異誘発をpECpol Iで実施して、サイレント突然変異 CからAをポジション2,067に及びGからCをポジション2,214(polA遺伝子中の)に導入し、それぞれAcclおよびEagI部位を作出した(これらはモチーフAをコード化している配列に隣接(flank)する)。結果的に生じるプラスミドは、pECpol ISと命名された。   The construction of the plasmid encoding the mutated PolI mutant of the present invention used in Examples 1 to 7 was generated by the following method. E. coli DH5αpolA was amplified by colony polymerase chain reaction using 59-ATATATAGACTTATGGTTCAGATCCCCCCAAAATCCACTTATC-39 and 59-ATATATAGGAATTCTTAGTGGCGCCTGATCCCAGTTTTCCGCACT-39 as primers. To create pECpol I, a 3 kilobase pair amplified fragment was digested with HindIII and EcoRl and then cloned into pHSG576 under the control of the lactose promoter (this is a low copy number plasmid, pol1 -Has an independent origin and chloramphenicol as a selectable marker). Site-directed mutagenesis was performed with pECpol I, introducing silent mutations C to A into position 2,067 and G to C into position 2,214 (in the polA gene), respectively, and the Accl and EagI sites, respectively. (They are flanked by the sequence encoding motif A). The resulting plasmid was named pECpol IS.

DNAポリメラーゼのI709NおよびI709F モチーフA突然変異体をコード化しているプラスミドを、PolIライブラリから遺伝的な選択(genetic selection)により分離した。ランダムライブラリ(random library)を、ランダムな配列を有するセグメントを含有している、2つの単一鎖DNAオリゴヌクレオチドをアニーリングすることにより構築した: オリゴ1は、104−merで、センスヌクレオチド2,053〜2,156に対応し、クローニングのためのAccl部位を含有していた(5’−GAAGGTCGTCGTATACGCCAGGCGTTTATTGCGCCAGAGGATTAT[GTGATTGTCTCAGCGGACTACTCGCAGATTGAACTGCGC]ATTATGGCGCATCTTTCGCG−3’);オリゴ2は、89−merで、アンチセンス鎖ヌクレオチド2,225〜2,137に対応し、EagI部位を含有していた(5’−AACACTTCTGCGGCCGTTGCCCGGTGGATATCTTTTCCTTCCGCGAATGCGGTCAGCAAGCCTTTGTCACGCGAAAGATGCGCCATAAT−3’)。前記の角型括弧で囲ったヌクレオチド(オリゴ1における)は、88%野生型のヌクレオチドと他の3つのヌクレオチドの各4%とを含有する(全てのポジションで)ように合成された。ハイブリダイゼーションの20塩基対の相補的な領域には下線を引いた。オリゴ1およびオリゴ2を、それらの非ランダムの相補的な領域で、各々250pmolを20μlのH0中で混合すること、および95℃で5分間加熱すること、次に2h室温で冷却することによりアニールした。部分的に二重のオリゴヌクレオチドを50ユニットの大腸菌polIクレノー断片(New England BioLabs, Beverly, MA)で2h、37℃で0.3−mlの反応混合物(10mM Tris−HCI、Ph7.5、5mM MgC12、7.5mM DTT、および0.5mMの4つ全てのdNTPsを含む)中でインキュベーションすることにより伸長させた。生じたDNAをAcclおよびEaglで消化し、精製し、そしてpECpoldum(スタッファー断片の代わりに)に挿入した。プラスミド(ランダムライブラリを含有している)を、大腸菌XLI−Blueに形質転換し、形質転換した細胞の数を、LB寒天プレート(30μg/mlのクロラムフェニコールを含有している)上にアリクウォットをプレーティングすることにより決定した。前記ライブラリの残りを、形質転換した大腸菌XLI−Blueを3リッターの2XYT培地に、16時間37℃で成長させることにより増幅した。そして前記ランダムライブラリ(pECpolLib)を次に精製した。pECpolLibをJS200細胞に形質転換(プラスミド pHSG576、pECpoIIS、pECpoldum コントロールとして)し、生存に関して栄養寒天プレート上で37℃で一晩選択した。ペアのサンプル(1,500コロニー未満を含む、30℃で)のみを分析した(というのも前記細胞の高密度なプレーティングにより、37℃でのバックグラウンドの上昇が誘導されたので)。約280コロニー(37℃で成長させた)を、ランダムに抜き取り、配列決定し、1および2の間のアミノ酸置換を含有することが発見された。 Plasmids encoding the I709N and I709F motif A mutants of DNA polymerase were isolated from the PolI library by genetic selection. A random library was constructed by annealing two single-stranded DNA oligonucleotides containing segments with random sequences: Oligo 1 is a 104-mer, sense nucleotide 2,053 Corresponded to ~ 2,156 and contained an Accl site for cloning (5'-GAAGGTCGTCGTATACGCCAGGCGTTTATTGGCGCCAGAGATTAT [GTGATGTCTCAGCGGGACTACTCGCAGATGGACTGC22]; ATTATGTCGC 2,137 and contained an EagI site (5'-AACACTTTCT CGGCCGTTGCCCGGTGGATATCTTTTCCTTCCGCGAATGCGGTCAGCAAGCCTTTGTCACGCGAAAGATGCGCCATAAT-3 '). The square bracketed nucleotides (in oligo 1) were synthesized to contain 88% wild type nucleotides and 4% of each of the other three nucleotides (at all positions). The 20 base pair complementary region of hybridization is underlined. Mix oligo 1 and oligo 2 in their non-random complementary regions, each 250 pmol in 20 μl H 2 O and heat at 95 ° C. for 5 minutes, then cool at room temperature for 2 h Annealed. Partially duplexed oligonucleotides with 50 units of E. coli polI Klenow fragment (New England BioLabs, Beverly, Mass.) For 2 h and 0.3-ml reaction mixture at 37 ° C. (10 mM Tris-HCI, Ph7.5, 5 mM) Incubation in MgC12, 7.5 mM DTT, and 0.5 mM of all four dNTPs). The resulting DNA was digested with Accl and Eagle, purified, and inserted into pECpoldum (instead of the stuffer fragment). Plasmid (containing random library) was transformed into E. coli XLI-Blue and the number of transformed cells was aliquoted onto LB agar plates (containing 30 μg / ml chloramphenicol). Was determined by plating. The rest of the library was amplified by growing transformed E. coli XLI-Blue in 3 liters of 2XYT medium for 16 hours at 37 ° C. The random library (pECpolLib) was then purified. pECpolLib was transformed into JS200 cells (plasmids pHSG576, pECpoIIS, as pECpoldum control) and selected for overnight on a nutrient agar plate for survival. Only paired samples (including less than 1,500 colonies at 30 ° C.) were analyzed (because the dense plating of the cells induced an increase in background at 37 ° C.). Approximately 280 colonies (grown at 37 ° C.) were randomly picked and sequenced and found to contain between 1 and 2 amino acid substitutions.

A759RおよびS756Eアミノ酸置換(モチーフBにおける)を、部位特異的突然変異誘発によりプラスミドI709N、I709F、D424A I709NおよびD424A I709Fに導入して、突然変異体I709N A759R、D424A I709F A759R、D424A DI709N A759R、およびD424A I709F A759Rを産生した。部位特異的突然変異誘発に関して、Quickchange(ストラタジーン(登録商標)、La Jolla, CA)を次の変異原性プライマー(mutagenic primers)と共に使用した:
Pol I S756E−F5’−CCAGCGAGCAACGCCGTGAGGCGAAAGCGATCAACTTTGG−3’;
Pol I S756E−R5’−CCAAAGTTGATCGCTTTCGCCTCACGGCGTTGCTCGCTGG−3’;
Pol I A759R−F5’−CGCCGTAGCGCGAAACGGATCAACTTTGGTCTGATTTATGGC−3’;
Pol A759R−R5’−GCCATAAATCAGACCAAAGTTGATCCGTTTCGCGCTACGGCG−3’。
A759R and S756E amino acid substitutions (in motif B) were introduced into plasmids I709N, I709F, D424A I709N and D424A I709F by site-directed mutagenesis to provide mutants I709N A759R, D424A I709F A759R, D424A DI709A24, DI709N I709F A759R was produced. For site-directed mutagenesis, Quickchange (Stratagene®, La Jolla, Calif.) Was used with the following mutagenic primers:
Pol I S756E-F5′-CCAGCGAGCAACGCCGTGAGGCGAAAGCGATCAACTTTGG-3 ′;
Pol I S756E-R5′-CCAAAGTTGATCCGCTTTCGCCTCACGGCGGTGCTCCGCTGG-3 ′;
Pol I A759R-F5′-CGCCCGTAGCGCGAAACGGATCAACTTTTGGTCTGATTTATGGC-3 ′;
Pol A759R-R5'-GCCATAAATCAGACCAAAGTTGATCCGTTTCGCGCTACGGCG-3 '.

エキソヌクレアーゼ機能を枯渇させるために、部位特異的突然変異誘発をpECpol Iに実施して、A−to−Cトランスバージョンをポジション1271で生じさせ、したがってAsp424からAlaに変化させて、3’−5’エキソヌクレアーゼ活性を不活性化した[Derbyshire et al., Science 240: 199−201 (1988)]。同じ様式において、3’→5’エキソヌクレアーゼドメイン−不活性化 突然変異をプラスミド(I709NおよびI709F突然変異をコード化している)に導入して、それぞれD424A I709NおよびD424A I709F突然変異体を産生した。   To deplete exonuclease function, site-directed mutagenesis was performed on pECpol I to generate an A-to-C transversion at position 1271, thus changing Asp424 to Ala, 3′-5 'Deactivated exonuclease activity [Derbyshire et al. , Science 240: 199-201 (1988)]. In the same manner, 3 'to 5' exonuclease domain-inactivating mutations were introduced into plasmids (encoding the I709N and I709F mutations) to generate D424A I709N and D424A I709F mutants, respectively.

実施例2
培養条件の最適化
Example 2
Optimization of culture conditions

図5Aは「初期(initial)」の培養条件の例およびインビボ突然変異誘発を変異性PolIの発現により誘導するための方法を提供する。これは、本発明における「至適(optimal)」な培養条件および具体化された方法の開発前に、当業者により使用される通常の方法を代表する。3−10倍の増加をプラスミド突然変異誘発において生じる(初期条件に類似する培養条件を用いた、染色体突然変異誘発と比較して)との2つの以前の報告がある。1つの場合において、使用されるポリメラーゼは、不活化されたプルーフリーディング ドメインを含んでいるPolIであった[Fabret et al., Nucleic Acids Res. 28: E95 (2000)]。本発明者等により開発された他の例は、D424A I709Fを変異性PolIとして使用した[Shinkai, A. , and Loeb, L. A. J. Biol. Chem. 276: 46759−64 (2001)]。突然変異誘発の頻度における及びターゲティングにおける改善は、次の4つの変数(variable)に属するものであった:(1)初期種菌(initial inoculum)の希釈(少なくとも1:10まで)、(2)2XYTにおける細胞の成長、(3)細胞の37℃での予熱、および(4)飽和点を過ぎた、培養物の継続的な成長(典型的には15〜17h)。 FIG. 5A provides an example of “initial” culture conditions and a method for inducing in vivo mutagenesis by expression of mutant PolI. This represents the usual method used by those skilled in the art prior to the development of "optimal" culture conditions and embodied methods in the present invention. There are two previous reports that a 3-10 fold increase occurs in plasmid mutagenesis (compared to chromosomal mutagenesis, using culture conditions similar to initial conditions). In one case, the polymerase used was PolI containing an inactivated proofreading domain [Fabret et al. Nucleic Acids Res. 28: E95 (2000)]. Another example developed by the inventors used D424A I709F as a mutated PolI [Shinkai, A. et al. , And Loeb, L. A. J. et al. Biol. Chem. 276: 46759-64 (2001)]. Improvements in the frequency of mutagenesis and in targeting belonged to the following four variables: (1) dilution of initial inoculum (up to at least 1:10 5 ), (2) Cell growth in 2XYT, (3) preheating of the cells at 37 ° C., and (4) continuous growth of the culture past the saturation point (typically 15-17 h).

結果:
実施例2は、突然変異誘発に変異性PolI発現により影響を与えることが認められた個々の培養パラメータを示す。理想的には、ランダムなインビボ突然変異誘発に関するシステムは、標的とされた遺伝子の全体(5’末端から3’末端)に頻繁な突然変異を、非−標的特異的(non−target specific)な数個の突然変異として呈すべきである。
result:
Example 2 shows individual culture parameters that were found to affect mutagenesis by mutated PolI expression. Ideally, a system for random in vivo mutagenesis will cause frequent mutations in the entire targeted gene (5 'to 3' end), non-target specific. Should be presented as several mutations.

培養条件を変化させて、これらの判定基準にしたがう、至適な変異原性の性能を達成した。培養物が、飽和に達することを容認すべきである。ランダム突然変異誘発の有効性に寄与する他の変数には、培養基のタイプ、接種時の培地の温度、および初期の種菌の濃度が含まれる。試行錯誤により達成される、培養条件の慎重な至適化は、突然変異誘発を得るために重大である。これにより高い標的特異性および突然変異の広い分布が得られる。   By varying the culture conditions, optimal mutagenic performance was achieved according to these criteria. It should be allowed for the culture to reach saturation. Other variables that contribute to the effectiveness of random mutagenesis include the type of culture medium, the temperature of the medium at the time of inoculation, and the initial inoculum concentration. Careful optimization of the culture conditions, achieved by trial and error, is critical to obtain mutagenesis. This gives a high target specificity and a wide distribution of mutations.

JS200株は、初めSC18−12と記載され[Witkin, E.M. and Roegner−Maniscalco, V., J. Bacteriol. 174: 4166−8 (1992)]、次の遺伝子型を有する:SC−18 recA718 polA12 uvrA155 trpE65 lon−11 sulA1。SC−18は、テトラサイクリン抵抗性を保有し、λファージに非感受性である。PolA12は、PolIの温度感受性対立遺伝子である[Monk, M. and Kinross, J., J. Bacteriol. 109: 971−8 (1972)]。polA12は誤って折り畳まれるように思われ、これはポリメラーゼおよび5’→3’エキソヌクレアーゼの機能的部位の空間的な配置を混乱させる様式で生じ、これらの2つの活性の間の誤調和(miscoordination)を生じる(ニックトランスレーションアッセイにおいてみられるとおり)。上昇した温度は、更に誤った折り畳みを増加させ、ニックでの効果的な重合を完全に崩壊させる[Uyemura et al., J. Biol. Chem. 251: 4085−9 (1976)]。Rec718対立遺伝子は、recA441 K12ドナーとrecA+ B/r−由来レシピエントとの間の抱合において得られた不安定な組換え型に由来する[Witkin, E. M., Mol. Gen. Genet. 185: 43−50 (1982)]。それは2つの塩基置換を保有し、1つはRecAタンパク質を構成的に活性化させ、1つは部分的なサプレッサである[(McCall et al., J. Bacteriol. 169: 728−34 [1987)]。   The JS200 strain was first described as SC18-12 [Witkin, E .; M.M. and Roegner-Maniscalco, V.M. , J. et al. Bacteriol. 174: 4166-8 (1992)], having the following genotype: SC-18 recA718 polA12 uvrA155 trpE65 lon-11 sulA1. SC-18 possesses tetracycline resistance and is insensitive to lambda phage. PolA12 is a temperature sensitive allele of PolI [Monk, M. et al. and Kinross, J. et al. , J. et al. Bacteriol. 109: 971-8 (1972)]. polA12 appears to be misfolded, which occurs in a manner that disrupts the spatial arrangement of the functional sites of the polymerase and 5 ′ → 3 ′ exonuclease, and miscoordination between these two activities. ) (As seen in the nick translation assay). The elevated temperature further increases misfolding and completely disrupts the effective polymerization at the nick [Uyemura et al. , J. et al. Biol. Chem. 251: 4085-9 (1976)]. The Rec718 allele is derived from an unstable recombinant obtained in conjugation between a recA441 K12 donor and a recA + B / r-derived recipient [Witkin, E. et al. M.M. , Mol. Gen. Genet. 185: 43-50 (1982)]. It carries two base substitutions, one constitutively activates the RecA protein and one is a partial suppressor [(McCall et al., J. Bacteriol. 169: 728-34 [1987). ].

レポータープラスミドの調製は、以下の通り記載される。β−ラクタマーゼ遺伝子の復帰頻度を測定するためのレポータープラスミドは、プラスミドpGPS3の修飾物である(New England Biolabs Inc., Beverly, MA)。このプラスミドは、pUC19(ColE1型)複製開始点およびnptおよびamp遺伝子(カナマイシンおよびカルベニシリン選択に対して)を含む。復帰頻度を測定するため、G−to−Tトランスバージョン(β−ラクタマーゼ遺伝子のポジション76で)を部位特異的突然変異誘発により導入し、コドンGAA(Glu26に対する)をオーカー終止コドンTAAに変化させた。β−ラクタマーゼ復帰頻度を測定するために使用されたレポータープラスミドは、pLA230、およびpLA2800であった(pUC19複製開始点から230bpおよび2800bp下流を保有する)[Shinkai, A. & Loeb, L.A., J. Biol. Chem. 276, 46759−46764 (2001)]。プラスミドpGPSoriはpLA230に対応するが、断続性バージョン(interrupted version)の代わりに、野生型β−ラクタマーゼ遺伝子を有する。それはpLA200と同じ様式で取得されたが、この場合ではpGPS3がプライマー5’−GCACCCGACATACATGTCCTATTTGTTTATT−3’および5’AAACTTGGTCGGTACCTTACCAATGCTTAATC−3に対する鋳型として使用された。前記pLA2800は、β−ラクタマーゼ遺伝子のポジション76でオーカー終止コドンをコード化しているpGPS3に対応する(複製開始点から2748bp)。   The preparation of the reporter plasmid is described as follows. A reporter plasmid for measuring the reversion frequency of the β-lactamase gene is a modification of plasmid pGPS3 (New England Biolabs Inc., Beverly, Mass.). This plasmid contains the pUC19 (ColE1 type) origin of replication and the npt and amp genes (for kanamycin and carbenicillin selection). To measure reversion frequency, a G-to-T transversion (at position 76 of the β-lactamase gene) was introduced by site-directed mutagenesis to change the codon GAA (to Glu26) to the ocher stop codon TAA. . The reporter plasmids used to measure the β-lactamase reversion frequency were pLA230 and pLA2800 (having 230 bp and 2800 bp downstream from the pUC19 origin of replication) [Shinkai, A. et al. & Loeb, L. A. , J. et al. Biol. Chem. 276, 46759-46764 (2001)]. Plasmid pGPSori corresponds to pLA230, but has a wild-type β-lactamase gene instead of an interrupted version. It was obtained in the same manner as pLA200, but in this case pGPS3 was used as a template for primers 5'-GCACCCGACATACCATGTCCCTATTTTGTTTATT-3 'and 5'AAACTTGGTCGGTACTCTTACCAATGCTTATATC-3. The pLA2800 corresponds to pGPS3 encoding an ocher stop codon at position 76 of the β-lactamase gene (2748 bp from the origin of replication).

コンピテント細胞の調製は、以下の通り記載される。LBプレート(適切な抗生物質選択を有する)上で成長させた単一コロニーを、抜き取り、そして30℃で50mlのLB プラス 抗生物質中で振盪せずに一晩インキュベーションした。細菌の培養物を1h、30℃で振盪した後、それをフラスコ(450ml LB 抗生物質を含有する)に移し、そして30℃振盪機に3〜4時間放置した(0.5−1のOD600まで)。細胞を氷上で20分間冷やし、Sorval(登録商標)RC 5B Plus遠心分離機中で遠心し、10%グリセリン中で2回洗浄した。ペレットを〜2ml 10%グリセリン中に再懸濁し、120μ1中にアリクウォット(aliquoted)し、ドライアイス上で急速凍結(quick−frozen)した。復帰突然変異体(revertants)のおよび/またはサプレッサ(suppressors)の増殖(outgrowth)を回避するため、コンピテント細胞を最初にPollプラスミドを用いて作出し、引き続いてレポータープラスミドで形質転換した。 The preparation of competent cells is described as follows. Single colonies grown on LB plates (with appropriate antibiotic selection) were picked and incubated overnight at 30 ° C. in 50 ml LB plus antibiotics without shaking. After shaking the culture of bacteria in 1h, 30 ° C., it was transferred to a flask (containing 450 ml LB antibiotic) and left for 3-4 hours 30 ° C. shaker (0.5-1 of OD 600 Until). The cells were chilled on ice for 20 minutes, centrifuged in a Sorval® RC 5B Plus centrifuge and washed twice in 10% glycerin. The pellet was resuspended in ˜2 ml 10% glycerin, aliquoted in 120 μl and quick-frozen on dry ice. In order to avoid revertants and / or suppressors outgrowth, competent cells were first generated with the Poll plasmid and subsequently transformed with the reporter plasmid.

形質転換を、バイオラド・ジーンパルサーTM装置(400Ω、2.20Vおよび2.5μFDにセット)を用いて実施した。電気ショック後、細胞を1mlのLB培地に再懸濁し、1h、30℃で振盪し、LBプレート(プラスミド選択に関して適切な抗生物質を有する)で培養した。シングルコロニー(Single colonies)を5ml LB(適切な抗生物質を有する)中に抜き取り、一晩、30℃で振盪せずに成長させた。XL1−Blue細胞の場合(温度または培地は問題ではないので)、2XYT培地中での再懸濁、37℃での30分間の振盪、単一コロニーのLB培地 37℃振盪機中での16hの成長を伴う、より標準プロトコールが引き続く。形質転換(レポーター遺伝子での)は、温度感受性の表現型の欠損を最も頻繁に生じる。レポータープラスミドの複製(これはPolI依存的および多コピー)により、JS200細胞の限定的でPolI機能的な蓄えが、許容状態下でさえも枯渇するように思われ、復帰突然変異体および/またはサプレッサの増殖に好都合である。それ故、PolIを保有するプラスミドを第一の形質転換に使用して、コンピテント細胞を作出した。これを引き続いて使用して、レポータープラスミドで形質転換した。 Transformation was performed using a Bio-Rad Gene Pulser instrument (set to 400Ω, 2.20V and 2.5 μFD). After electric shock, the cells were resuspended in 1 ml LB medium, shaken for 1 h at 30 ° C. and cultured on LB plates (with appropriate antibiotics for plasmid selection). Single colonies were picked into 5 ml LB (with appropriate antibiotics) and grown overnight at 30 ° C. without shaking. For XL1-Blue cells (because temperature or medium is not an issue), resuspension in 2XYT medium, shaking for 30 minutes at 37 ° C., single colony LB medium 16 h in 37 ° C. shaker More standard protocols with growth follow. Transformation (with a reporter gene) most frequently results in a temperature-sensitive phenotypic defect. Due to the replication of the reporter plasmid (which is PolI-dependent and multicopy), it appears that the limited PolI functional reserve of JS200 cells is depleted even under permissive conditions, with revertants and / or suppressors. Convenient for growth of Therefore, a plasmid carrying PolI was used for the first transformation to generate competent cells. This was subsequently used to transform with a reporter plasmid.

β−ラクタマーゼ復帰アッセイを、以下の方法で実施した。pHSG576プラスミド(クロラムフェニコール耐性(cm))中にPolI(野生型または異なる低忠実度の突然変異体)を保有する大腸菌JS200形質転換体株を、レポータープラスミド(カナマイシン(kan))で再形質転換した。二重の抵抗性(cm、kan)を呈している単一コロニーを、5ml LB(プラス tet、kan、cm)中に抜き取り、一晩の振盪せずに成長させた。1時間30℃で振盪した後、培養物(OD〜0.5)を、5mlの2XYT培地(37℃で予熱した)中で1:10に希釈した。これらの新しい培養物を、37℃で15分間維持し、15時間37℃振盪機中でインキュベーションした。β−ラクタマーゼ終止コドン復帰を、50μg/mlのカルベニシリン(Island Scientific, Bainbridge Island, WA)をカナマイシンおよびクロラムフェニコールに加えて含有しているプレート上の飽和した培養物の適切な希釈物をプレーティング(少なくとも二通り)することにより検出した。 The β-lactamase reversion assay was performed as follows. E. coli JS200 transformant strain carrying PolI (wild type or different low fidelity mutant) in the pHSG576 plasmid (chloramphenicol resistance (cm r )) was transformed with the reporter plasmid (kanamycin (kan r )). Retransformed. Single colonies exhibiting double resistance (cm r , kan r ) were picked into 5 ml LB (plus tet, kan, cm) and grown overnight without shaking. After shaking for 1 hour at 30 ° C., the culture (OD˜0.5) was diluted 1:10 5 in 5 ml of 2XYT medium (preheated at 37 ° C.). These new cultures were maintained at 37 ° C. for 15 minutes and incubated for 15 hours in a 37 ° C. shaker. β-lactamase stop codon reversion was performed by adding appropriate dilutions of saturated cultures on plates containing 50 μg / ml carbenicillin (Island Scientific, Bainbridge Island, WA) in addition to kanamycin and chloramphenicol. Detection (at least two).

リファンピン抵抗性に関して、細胞を25μg/mlリファンピン中で培養した。結果は、生存可能なコロニー(kan cm単独において成長)と比較した頻度として表現され、少なくとも2つのクローン(独立に保有される)の平均を示す。   For rifampin resistance, cells were cultured in 25 μg / ml rifampin. Results are expressed as frequency compared to viable colonies (grown in kan cm alone) and represent the average of at least two clones (independently retained).

実施例3
インビボでのモチーフAおよびモチーフB突然変異の相乗効果およびプラスミド配列の有意なターゲティング
Example 3
Synergistic effect of motif A and motif B mutations in vivo and significant targeting of plasmid sequences

以下の表1は、突然変異誘発ターゲティングの頻度および程度を特徴付けるアッセイの結果を要約する(結果を図6に示す)。JS200細胞は、野生型PolI又はそれぞれのPolI突然変異体の何れか、およびレポータープラスミドpLA230で形質転換された。β−ラクタマーゼ復帰の頻度(野生型に対して標準化された)は、特定の標的遺伝子における突然変異の頻度の指標である。リファンピシン抵抗性のカルベニシリン抵抗性に対する比率は、染色体の突然変異誘発の頻度を反映する。   Table 1 below summarizes the results of the assay characterizing the frequency and extent of mutagenesis targeting (results are shown in FIG. 6). JS200 cells were transformed with either wild-type PolI or the respective PolI mutant, and reporter plasmid pLA230. The frequency of β-lactamase reversion (normalized to wild type) is an indicator of the frequency of mutations in a particular target gene. The ratio of rifampicin resistance to carbenicillin resistance reflects the frequency of chromosomal mutagenesis.

初期条件は30℃でOD600〜0.5まで成長した培養物を提示し、これを1:50へと栄養ブロス中で希釈し、OD=0.7まで37℃振盪機中で到達させた[Shinkai, A. and Loeb, L.A., J. Biol. Chem. 276: 46759−64 (2001)]。至適化された条件により、許容状態下でOD600〜0.5にまで成長した培養物を呈し、これは2XYT(37℃で予熱された)中で1:10に希釈され、付加的に15分間37℃でインキュベーションされ、37℃振盪機に15時間配置された(飽和)。突然変異誘発頻度は、β−ラクタマーゼ復帰アッセイ(プラスミド内の標的)により又はリファンピン耐性コロニーを計数すること(染色体内の標的)により決定された。また、報告された値は、野生型に対して標準化された。各突然変異体ポリメラーゼに関する、プラスミド 対(versus) 染色体の突然変異誘発の相対的頻度を、野生型ポリメラーゼに関して認められたところまで正規化した後に取得した。これにより、異なる性質のアッセイ(フォワードアッセイ(Rif) 対 β−ラクタマーゼ復帰アッセイ)、および標的数における差(単一コピー(Rif) 対 多コピーβ−ラクタマーゼ)などの変数が導入される。 Initial conditions presented a culture grown at 30 ° C. to OD 600-0.5, which was diluted 1:50 in nutrient broth and allowed to reach in an 37 ° C. shaker until OD = 0.7 [ Shinkai, A.I. and Loeb, L.M. A. , J. et al. Biol. Chem. 276: 46759-64 (2001)]. Optimized conditions resulted in a culture that grew to an OD 600-0.5 under permissive conditions, which was diluted 1:10 5 in 2XYT (preheated at 37 ° C.) and additionally Incubated for 15 minutes at 37 ° C. and placed on a 37 ° C. shaker for 15 hours (saturated). Mutagenesis frequency was determined by β-lactamase reversion assay (target in plasmid) or by counting rifampin resistant colonies (target in chromosome). Reported values were also normalized to wild type. The relative frequency of plasmid vs. chromosomal mutagenesis for each mutant polymerase was obtained after normalizing to that observed for the wild type polymerase. This introduces variables such as assays of different nature (forward assay (Rif r ) vs. β-lactamase reversion assay) and differences in target numbers (single copy (Rif r ) vs. multiple copy β-lactamase).

Figure 2005528114
Figure 2005528114

結果:
実施例3では、異なる変異性PolI突然変異体の発現及び培養条件に対するその感受性に関連する、突然変異誘発の特性を調査する(図5Aおよび5B)。モチーフAにおける及びモチーフBにおける低忠実度突然変異の効果を樹立するために、単独および組み合わせで次のPolI突然変異体を試験した: D424A I709N、A759R、D424A A759R、I709N A759RおよびD424A I709N A759R(そのサブセットは図6に示される)。表1は、これらの結果の要約である。D424A I709N発現の効果(初期条件下での)は、公開されたデータ[Shinkai, A., and Loeb, L. A. J. Biol. Chem. 50: 46759−64 (2001)]に匹敵する。D424D A759R突然変異の発現は、突然変異誘発(D424A I709Nと匹敵する)の頻発を生じる。モチーフA突然変異と類似して、上昇した突然変異誘発は、プルーフリーディングドメインの同時の不活性化に依存する。これらの結果は、ポジションA759(モチーフBにおける)が、大腸菌における忠実度の重大な決定要因であることを確証する。驚くべきことに(Strikingly)、I709N A759R D424A三重突然変異体の発現は、突然変異の頻発を生じ、これは相加的効果を超えるものであり(more than additive)、上記の各二重突然変異体のものよりも6から26倍高いものである(同じ事項はI709F A759R D424Aに適用される)。単一のモチーフAまたはモチーフB突然変異体とは異なり、二重のモチーフAおよびモチーフB PolI突然変異体による突然変異誘発は、プルーフリーディングの不活性化に若干の依存性を示している。このことは、突然変異の組み合わせ(ポジションI709FおよびA759Rにおける)が、プルーフリーディングの機能的な不活性化を生じることを示唆している。
result:
Example 3 investigates the characteristics of mutagenesis related to the expression of different mutated PolI mutants and their sensitivity to culture conditions (FIGS. 5A and 5B). To establish the effect of low fidelity mutations in motif A and in motif B, the following PolI mutants were tested alone and in combination: D424A I709N, A759R, D424A A759R, I709N A759R and D424A I709N A759R (its The subset is shown in FIG. Table 1 summarizes these results. The effect of D424A I709N expression (under initial conditions) is reported in published data [Shinkai, A .; , And Loeb, L. A. J. et al. Biol. Chem. 50: 46759-64 (2001)]. Expression of the D424D A759R mutation results in frequent mutagenesis (comparable to D424A I709N). Similar to the motif A mutation, elevated mutagenesis relies on simultaneous inactivation of the proofreading domain. These results confirm that position A759 (in motif B) is a critical determinant of fidelity in E. coli. Surprisingly, the expression of the I709N A759R D424A triple mutant results in frequent mutations, which exceeds the additive effect (more than additive), and each double mutation described above 6 to 26 times higher than that of the body (the same applies to I709F A759R D424A). Unlike single motif A or motif B mutants, mutagenesis with double motif A and motif B PolI mutants shows some dependence on inactivation of proofreading. This suggests that the combination of mutations (at positions I709F and A759R) results in functional inactivation of the proofreading.

至適化された条件下で、野生型より15,000倍高い、突然変異誘発の頻度が達成された(他の実験において、100,000倍の増加が観察されている(図8B))。このことは、「初期(initial)」条件下で達成された頻度を超える、実質的な増加を示している(3,600倍)。また、至適化された条件は、更に突然変異誘発を標的プラスミドに限定する。I709N A759R D424A三重突然変異体の場合において、プラスミド特異性は400倍増加する。要約すると(In sum)、I709(モチーフA)およびA759(モチーフB)突然変異は、相乗的に標的プラスミド突然変異誘発を増強する。また、突然変異の頻度およびターゲティングの双方は、成長条件(growth condition)に感受性である。   Under optimized conditions, a frequency of mutagenesis of 15,000 times higher than the wild type was achieved (in other experiments a 100,000-fold increase was observed (FIG. 8B)). This represents a substantial increase over the frequency achieved under “initial” conditions (3,600 times). Also, optimized conditions further limit mutagenesis to the target plasmid. In the case of the I709N A759R D424A triple mutant, plasmid specificity is increased 400-fold. In summary (In sum), the I709 (motif A) and A759 (motif B) mutations synergistically enhance target plasmid mutagenesis. Also, both mutation frequency and targeting are sensitive to growth conditions.

実施例4
標的配列に導入された突然変異のスペクトルおよび頻度の決定(D424A I709N A759R Pol Iの発現に際した)
Example 4
Determination of the spectrum and frequency of mutations introduced in the target sequence (during expression of D424A I709N A759R Pol I)

以下の表2は、D424A I709N A759R PolIを発現している細胞において同定された、β−ラクタマーゼ遺伝子におけるオーカー終止コドンの外側に位置する突然変異の突然変異スペクトルを示す。項目内の番号は、配列の位置を示す(複製開始点と比較した)。機能的な発現が要求される、使用されたアッセイの性質上(Given the nature of the assay)、フレームシフトおよび欠失(deletions)は決定されなかった。   Table 2 below shows the mutation spectrum of mutations located outside the ocher stop codon in the β-lactamase gene identified in cells expressing D424A I709N A759R PolI. The number in the item indicates the position of the sequence (compared to the origin of replication). Given the nature of the assay used, where functional expression is required, frameshifts and deletions were not determined.

Figure 2005528114
Figure 2005528114

結果:
実施例4は、変異性PolI発現から生じる、変異原性スペクトル(mutagenic spectrum)の例示を提供する。I709N A759R D424A PolI発現と関連するヌクレオチド変化を特徴付けるため、158のカルベニシリン耐性クローンがシークエンスされた。全て155のこれらのクローンが、オーカーコドンにおいて突然変異を示した。
result:
Example 4 provides an illustration of the mutagenic spectrum resulting from mutated PolI expression. To characterize the nucleotide changes associated with I709N A759R D424A PolI expression, 158 carbenicillin resistant clones were sequenced. All 155 of these clones showed mutations in the ocher codon.

これらの中で、2つのみが別の終止コドン(両方がオパールに)に変化し、96.8%の全体の特異性(overall specificity)を復帰アッセイに関して呈する。野生型配列は残りの153配列のうちの148に存在し、様々な量において(微量から約90%)、これは多コピープラスミド(多様な程度の優性(dominance)を有する)においてコード化される突然変異と矛盾のないものである。塩基対置換の完全なスペクトルを確立するため、少なくとも650bpの良質の配列を、これらの158クローンの全てに関して取得した。全体で46の二次的な突然変異が、この650bpインターバル内で検出された。これらのうち、40はオープンリーディングフレーム(ORF)内に位置し、そのうち22はサイレントであった。僅か2つの突然変異が、この分析において2度以上検出された。このことは多様性の程度が高いことを指摘している。表2は、これらの46の二次的な突然変異の突然変異スペクトルを示す。   Of these, only two are changed to different stop codons (both to opal) and exhibit an overall specificity of 96.8% for the reversion assay. The wild type sequence is present in 148 of the remaining 153 sequences, and in varying amounts (from trace to about 90%), it is encoded in a multicopy plasmid (having varying degrees of dominance). It is consistent with mutation. In order to establish a complete spectrum of base pair substitution, a good quality sequence of at least 650 bp was obtained for all of these 158 clones. A total of 46 secondary mutations were detected within this 650 bp interval. Of these, 40 were located in the open reading frame (ORF), 22 of which were silent. Only two mutations were detected more than once in this analysis. This points out that the degree of diversity is high. Table 2 shows the mutation spectrum of these 46 secondary mutations.

D424A I709N A759R PolIの発現は、本分析中の650ヌクレオチド内で多様な突然変異スペクトルを生じた。しかし、トランジションに対するバイアス(80%)が検出され、GC→AT突然変異(56%)が優位(predominance)であった。   Expression of D424A I709N A759R PolI resulted in diverse mutation spectra within 650 nucleotides during this analysis. However, a bias to the transition (80%) was detected, and the GC → AT mutation (56%) was predominance.

I709N A759R D424A PolIを発現している細胞に存在する標的プラスミドの数が、突然変異負荷を推定するために決定され、僅か10コピー/細胞であることが認められた(図7)。このことは、野生型PolIを発現している培養物において〜100コピー/細胞であったことと対照的である。標的プラスミドコピー数におけるPolI点突然変異の本効果は、突然変異体ライブラリーのサイズを10倍減少させる。しかしながら、この細胞毎の標的数の減少は、選択効率を改善したと思われる。というのも各々の新しい突然変異は、発現されたタンパク質の大部分を説明すると期待され、そしてそれ故に表現型に大きな影響力を有している。   The number of target plasmids present in cells expressing I709N A759R D424A PolI was determined to estimate the mutation burden and was found to be only 10 copies / cell (FIG. 7). This contrasts with ~ 100 copies / cell in cultures expressing wild type PolI. This effect of the PolI point mutation on the target plasmid copy number reduces the size of the mutant library by a factor of 10. However, this reduction in the number of targets per cell appears to have improved the selection efficiency. Because each new mutation is expected to account for the majority of the expressed protein and therefore has a great influence on the phenotype.

至適化された突然変異誘発条件下で、終止コドン復帰の頻度は、500細胞に1のオーダーであった(図6)。10標的プラスミド/細胞が予期される場合、これは5000コドンにおいて1復帰であると解釈される。9の可能性のある塩基対置換(オーカーコドンでの)のうち2つは許容されないので、これは3,900コドンに1突然変異と同等である。突然変異の均等な分布を仮定する場合(即ち、オーカー終止コドンでの突然変異は、タンパク質における夫々の他のコドンのものを代表する)、11,500bp(3x3900)に1突然変異の推定突然変異頻度(an estimated mutation frequency)と計算される。インビボで既報告の最高突然変異頻度は、0.5突然変異/Kbpである[Greener, A. et al., 7: 189−95 Mol. Biotechnol. (1997)]、しかし、この突然変異誘発は、連続的な培養に際して不安定であった、そして宿主における重度に有害な効果を有していた[Greener, A. et al., 7: 189−95 Mol. Biotechnol. (1997)]。   Under optimized mutagenesis conditions, the frequency of stop codon reversion was on the order of 1 in 500 cells (FIG. 6). If 10 target plasmids / cell are expected, this is interpreted as 1 reversion at 5000 codons. This is equivalent to one mutation at 3,900 codons since two of the nine possible base pair substitutions (at the ocher codon) are not allowed. Assuming an even distribution of mutations (ie, mutations at the ocher stop codon represent those of each other codon in the protein), a putative mutation of 1 mutation at 11,500 bp (3 × 3900) It is calculated as an frequency (an estimated mutation frequency). The highest mutation frequency reported in vivo is 0.5 mutations / Kbp [Greener, A. et al. et al. , 7: 189-95 Mol. Biotechnol. (1997)], however, this mutagenesis was unstable upon continuous culture and had severely deleterious effects in the host [Greener, A. et al. et al. , 7: 189-95 Mol. Biotechnol. (1997)].

D424A I709N A759Rポリメラーゼを発現し、レポータープラスミドpLA230を有するJS200細胞を、突然変異誘発に関して至適な条件下で成長させ、そしてプレート(50μg/mlカルベニシリンを含有している)上で培養した。単一のカルベニシリン耐性コロニーを成長させた。これらのプラスミドを抽出し、オーカーコドンの配列をオリゴヌクレオチドBlac−5を用いて決定した。二次的な突然変異を、次のオリゴヌクレオチドを用いて確認した:
Blac−5 5’−TTACGGTTCCTGGCCTTTTGC−3’;
Blac−6 5’−GGTTGAGTACTCACCAGTCAC−3’;
Blac−7 5’−TCCGATCGTTGTCAGAAGTAA−3’;および
Blac−8 5’−CCATTTCCACCCCTCCCAGTT−3’。
配列をシークエンチャー(Sequencher)ソフトウェアを用いて分析した。
JS200 cells expressing D424A I709N A759R polymerase and carrying the reporter plasmid pLA230 were grown under conditions optimal for mutagenesis and cultured on plates (containing 50 μg / ml carbenicillin). A single carbenicillin resistant colony was grown. These plasmids were extracted and the sequence of the ocher codon was determined using the oligonucleotide Blac-5. Secondary mutations were confirmed using the following oligonucleotides:
Blac-5 5'-TTACGGTTCCTGGGCCTTTTGC-3 ';
Blac-6 5'-GGTTGAGTACTCACCAGTCAC-3 ';
Blac-7 5'-TCCGATCGGTGTCAGAAGTAA-3 '; and
Blac-8 5′-CCATTTCCACCCCCTCCCCAGTT-3 ′.
Sequences were analyzed using Sequencher software.

実施例5
変異性PolI突然変異体によるインビボ突然変異誘発(複製開始点からの距離の関数として)
Example 5
In vivo mutagenesis with a mutated PolI mutant (as a function of distance from the origin of replication)

図8Bは、突然変異誘発の頻度を複製開始点(ori)からの距離の関数として示しており、これは変異性PolI突然変異体(単一および二重の突然変異を活性部位に含有している)による変異原性の適用範囲(mutagenic coverage)のレベルを評価するために決定された。JS200細胞を、野生型または異なる変異性PolI突然変異体の何れかと、複製開始点およびオーカー終止コドンのポジション間の距離が増加している以下のレポーターの1つとで形質転換した:pLA230、pLA700、pLA1400、pLA2800、およびpLA3700。許容状態下でOD600〜0.5にまで成長した培養物を、2XYT(37℃で予熱された)で1:10に希釈し、付加的に15’、37℃でインキュベーションし、37℃振盪機に15時間配置された(飽和)。結果は、1つの代表的な実験を示す。各ポイントは、2つの独立した培養物(各々は重複して培養された)の平均を示す。 FIG. 8B shows the frequency of mutagenesis as a function of distance from the origin of replication (ori), which contains mutant PolI mutants (containing single and double mutations in the active site). In order to assess the level of mutagenic coverage. JS200 cells were transformed with either wild-type or different mutant PolI mutants and one of the following reporters with increased distance between the origin of replication and the position of the ocher stop codon: pLA230, pLA700, pLA1400, pLA2800, and pLA3700. Cultures grown to OD 600-0.5 under permissive conditions were diluted 1:10 5 with 2XYT (preheated at 37 ° C.), additionally incubated at 15 ′, 37 ° C., shaken at 37 ° C. The machine was placed for 15 hours (saturated). Results show one representative experiment. Each point represents the average of two independent cultures, each cultured in duplicate.

結果:
PolIが、ColEl起点の下流のリーディング鎖において〜400bpを合成することが報告され[Sakakibara, Y. & Tomizawa, J., Proc. Natl. Acad. Sci U S A 71: 1403−1407 (1974)]、このポイントで、リーディング(leading)およびラギング(lagging)鎖の双方がPolIIIレプリソーム(replisome)により引き継がれる(taken over)[Staudenbauer, W. L., Mol. Gen. Genet. 149: 151−158 (1976)].従って、多くのPol1−依存的な突然変異は、標的遺伝子の5’末端でクラスター形成していると予期された。この見込みに反して、500bpよりも更に下流の突然変異が、開始リーダー(initiating leader)に相当する配列における突然変異と比較される場合、類似する頻度のヒット(a similar frequency of hits)および同等のスペクトル(a comparable spectrum)が検出された。しかしながら、レポーター遺伝子におけるオーカー終止コドンが更に複製開始点から図3Bに示すとおり配置された場合(実施例5、図8にも例示される)、突然変異誘発の減少が明らかとなり、このことは長い距離での変異性PolIによるリーディング鎖の合成の非存在から生じる。しかしながら、プラスミド突然変異誘発(700bpポイントでの)において観察された減少は、ほんの中等度のものであった、そして三重PolI変異体突然変異の場合において、頻度は一定のままであった(別の3Kbに関するバックグラウンドを4桁超える)。PolIによる有意なプラスミド突然変異誘発(プラスミド配列における開始リーダー鎖に相当する配列を超えた)は、当業者が予想できたものではなかった。従って、実施例5は次のことを指摘する。つまりoriから少なくとも3700bpの距離での標的配列は、変異性PolI発現による突然変異を受け入れる(amenable)。
result:
PolI has been reported to synthesize ˜400 bp in the leading strand downstream of the ColEl origin [Sakakibara, Y. et al. & Tomizawa, J. et al. , Proc. Natl. Acad. Sci USA 71: 1403-1407 (1974)], at which point both the leading and lagging strands are taken over by the PolIII replisome (taken over) [Staudenbauer, W. et al. L. , Mol. Gen. Genet. 149: 151-158 (1976)]. Thus, many Pol1-dependent mutations were expected to cluster at the 5 ′ end of the target gene. Contrary to this expectation, when mutations further downstream than 500 bp are compared to mutations in the sequence corresponding to the initiating leader, a similar frequency of hits and equivalent A spectrum (a comparable spectrum) was detected. However, when the ocher stop codon in the reporter gene is further positioned as shown in FIG. 3B from the origin of replication (also illustrated in Example 5 and FIG. 8), a reduction in mutagenesis is evident, which is long Results from the absence of synthesis of the leading strand by the mutated PolI at distance. However, the observed decrease in plasmid mutagenesis (at 700 bp points) was only moderate, and in the case of triple PolI mutant mutations the frequency remained constant (another The background for 3Kb exceeds 4 digits). Significant plasmid mutagenesis with PolI (beyond the sequence corresponding to the starting leader strand in the plasmid sequence) was not expected by one skilled in the art. Therefore, Example 5 points out the following. That is, the target sequence at a distance of at least 3700 bp from ori is amenable to mutation due to mutated PolI expression.

pLA230およびpLA2800の調製は実施例2に提供される。また、他のレポーターは、以下に示すプラスミド pLA2800およびpGPSΔに由来した: pLA3800は、完全なnpt(kan)遺伝子を合成オリゴヌクレオチド5’−CATCGGTACCTTAACCAATTCTGATTAGAAAAAC−および−GATGGGTACCCTAGATTTAAATGATATCGGATCC−3’(隣接するKpnI制限酵素認識部位を含有している)を用いて増幅することにより産生された。980bpの増幅された断片を、プラスミドpLA2800のKpnI部位にクローン化した(nptの1つの追加のコピーが添加され、終止コドンがプラスミド複製開始点の3691bpに移動する)。pLA2200は、Sal1 1517bp断片をプラスミドpLA3800から摘出すること、およびプラスミド バックボーンを再連結することにより産生された。 Preparation of pLA230 and pLA2800 is provided in Example 2. Other reporters were also derived from the plasmids pLA2800 and pGPSΔ shown below: pLA3800 synthesizes the complete npt (kan r ) gene from the synthetic oligonucleotides 5'-CATCGGGTACCTTACCAATTCTGATTAGAAAAAC- and -GATGGGTACCCTAGTAGTACC Containing the recognition site). An amplified fragment of 980 bp was cloned into the KpnI site of plasmid pLA2800 (one additional copy of npt was added and the stop codon moved to 3691 bp of the plasmid replication origin). pLA2200 was produced by excising the Sal1 1517 bp fragment from plasmid pLA3800 and religating the plasmid backbone.

これにより、終止コドンがプラスミド複製開始点の2174bpに移動した。pLA1400は、PCR増幅されたnpt遺伝子をpLA2800のSacIおよびAflll部位にクローニングすることにより産生された(β−ラクタマーゼ オーカーコドンがoriから1403bpに移動する)。増幅に使用されたSacIおよびAflIIIアダプターを含有しているオリゴヌクレオチドは、5’−CATCGAGCTCTTAACCAATTCTGATTAGAAAAAC−3’および5’−GATGACATGTCTAGATTTAAATGATATCGGATCC−3’であった。   This moved the stop codon to 2174 bp of the plasmid replication origin. pLA1400 was produced by cloning the PCR amplified npt gene into the SacI and Aflll sites of pLA2800 (a β-lactamase ocher codon is transferred from ori to 1403 bp). Oligonucleotides containing SacI and AflIII adapters used for amplification were 5'-CATCGAGCTCTTAACCAATTCTGATTAGAAAAAC-3 'and 5'-GATGATACATTCTAGATTTAAAATGATACGGATCC-3'.

pLA700は、PCR増幅したβ−ラクタマーゼ レポーターをpGPSΔのSwaIおよびSpeI部位へとサブクローニングすることにより生じた。使用されたオリゴヌクレオチドは、5’−CATCGATATCTTACCAATGCTTAATCAGTG−3’および5’−GATGACTAGTCCCTATTTGTTTATTTTTCT−3’であった(それぞれEcoRVおよびSpeIアダプターを含有している)。これにより、オーカー終止コドン(β−ラクタマーゼ遺伝子における)が、僅か709ヌクレオチド、複製開始点から離れたところに配置される。   pLA700 was generated by subcloning the PCR amplified β-lactamase reporter into the SwaI and SpeI sites of pGPSΔ. The oligonucleotides used were 5'-CATCGATATCTCACCAATGCTTAATCAGTG-3 'and 5'-GATGACTAGTCCCCTTTGTTTATTTTTTCT-3' (containing EcoRV and SpeI adapters, respectively). This places the ocher stop codon (in the β-lactamase gene) only 709 nucleotides away from the origin of replication.

実施例6
野生型PolIを発現している細胞のインビボ突然変異誘発における、変異性PolI突然変異体の効果
Example 6
Effect of mutant PolI mutant in in vivo mutagenesis of cells expressing wild-type PolI

図9(表3のデータの図解)は、プラスミド特異的な突然変異頻度を実証する。このプラスミド特異的な突然変異頻度は、染色体の野生型PolIの発現が変異性PolI突然変異誘発に干渉するかどうかを決定するために、PolI熟達した株(a Pol I proficient strain)中で変異性PolI突然変異体により媒介される。XLI−Blue細胞(野生型PolIを発現する株)を、PolI変異誘発因子(D424 I709N A759R)およびレポータープラスミドpLA230で形質転換した。それらを30℃でOD〜0.5まで成長させた。そしてその10−5希釈を17時間2XYT培地中で100μg/ml IPTGの存在または非存在下で成長させ、カルベニシリン プレート上で三通り(in triplicate)培養した。XL1−Blue細胞における及びJS200細胞におけるβ−ラクタマーゼ復帰の頻度を、同じ濃度のIPTGの存在または非存在下で、比較のためにプロットした。 FIG. 9 (illustration of the data in Table 3) demonstrates the plasmid-specific mutation frequency. This plasmid-specific mutation frequency is variability in the PolI-strained strain (a Pol I proficient strain) to determine if chromosomal wild-type PolI expression interferes with mutated PolI mutagenesis. Mediated by PolI mutants. XLI-Blue cells (strain expressing wild type PolI) were transformed with PolI mutagen (D424 I709N A759R) and reporter plasmid pLA230. They were grown at 30 ° C. to OD˜0.5. The 10 −5 dilution was then grown in 2XYT medium for 17 hours in the presence or absence of 100 μg / ml IPTG and cultured in triplicate on carbenicillin plates. The frequency of β-lactamase reversion in XL1-Blue cells and in JS200 cells was plotted for comparison in the presence or absence of the same concentration of IPTG.

Figure 2005528114
Figure 2005528114

結果:
重大な遺伝物質はベクターにおいて提供される。そして、野生型PolIの発現および/または無傷のDNA修復(宿主における)は、突然変異誘発により有意に干渉されない。従って、ランダム突然変異誘発を、標的とされた遺伝子による相補性に関して特異的にデザインした株において、実施し得る。図9および表3(実施例6における)は、この点を説明しており、変異性PolI突然変異体が、野生型PolIを発現し、DNA修復に熟達(proficient)した宿主(XL−1 Blue)において共優性(co−dominant)であることを実証している。変異性PolIのPolI過剰発現により、これらの細胞における標的プラスミド突然変異誘発が増加する(標的プラスミドの複製に関して、野生型PolIと競合することにより)。過剰発現させた場合、変異性PolIが野生型をアウトコンピート(outcompete)することが期待できる。このことは図9に説明される。この図は、XL−1 Blue細胞におけるD424A I709N A759R PolI(tacプロモーターからの発現をIPTGで誘導することにより)が、プラスミド突然変異誘発を、JS200において取得された頻度に匹敵する頻度にまで更に増加させることを示している。観察されたより高いバックグラウンド(JS200と比較して)は、GlnV突然変異(オーカーに対して若干の活性を有する、アンバー抑制因子)に依存するものであろう。従って、この結論に影響しないはずである。リファンピシン抵抗性は2つの株間で同等であり、このことはPolI突然変異誘発がXL1−Blue細胞中でなおプラスミド限定的(plasmid−restricted)であることを指摘している。
result:
Critical genetic material is provided in the vector. And wild-type PolI expression and / or intact DNA repair (in the host) is not significantly interfered with by mutagenesis. Thus, random mutagenesis can be performed in strains specifically designed for complementation with the targeted gene. FIG. 9 and Table 3 (in Example 6) illustrate this point, where the mutated PolI mutant expresses wild-type PolI and is proficient in DNA repair (XL-1 Blue). ) Is demonstrated to be co-dominant. PolI overexpression of mutant PolI increases target plasmid mutagenesis in these cells (by competing with wild-type PolI for target plasmid replication). When overexpressed, it can be expected that the mutated PolI outcompetes the wild type. This is illustrated in FIG. This figure shows that D424A I709N A759R PolI (by inducing expression from the tac promoter with IPTG) in XL-1 Blue cells further increased plasmid mutagenesis to a frequency comparable to that obtained in JS200. Shows that The higher background observed (compared to JS200) will depend on the GlnV mutation (amber suppressor with some activity on ocher). Therefore, this conclusion should not be affected. Rifampicin resistance is comparable between the two strains, indicating that PolI mutagenesis is still plasmid-restricted in XL1-Blue cells.

XLI−Blue細胞は、F’::Tn1O proA lacIq Δ(lacZ) M15/recA1 endA1 gyrA96 (Nalr) thi hsdRl7 (r ) glnV44 relA1 lac であり、そして市販されている(例えば、Statagene(登録商標)から購入できる)。細胞を適切な抗生物質選択下で成長させた:即ち、テトラサイクリン(Sigma(登録商標);St.Louis MO)を12.5μg/mlで、クロラムフェニコール(Sigma(登録商標);St.Louis MO)を30μg/mlで、および/またはカナマイシン(Island Scientific, Bainbridge Island, WA)を50μg/mlの濃度で使用した。 XLI-Blue cells, F ':: Tn1O proA + B + lacIq Δ (lacZ) M15 / recA1 endA1 gyrA96 (Nalr) thi hsdRl7 - a (r k m k +) glnV44 relA1 lac, and are commercially available ( For example, it can be purchased from Statagene®). Cells were grown under the appropriate antibiotic selection: tetracycline (Sigma®; St. Louis MO) at 12.5 μg / ml and chloramphenicol (Sigma®; St. Louis). MO) was used at a concentration of 30 μg / ml and / or kanamycin (Island Scientific, Bainbridge Island, WA) at a concentration of 50 μg / ml.

実施例7
定方向進化により産生されたアズトレオナム耐性突然変異の表現型分析
Example 7
Phenotypic analysis of aztreonam resistant mutations produced by directed evolution

表4はTEM−1突然変異の表現型を示す。これらは、前記システムの定方向進化(酵素の)に対する適用可能性を樹立するために実施した選択の結果、同定された。JS200細胞(D424A I709N A759R PolIをコード化しているプラスミドおよび標的TEM−1 β−ラクタマーゼをコード化している第二のプラスミドで共形質転換した)を、アズトレオナムの濃度を増加させた選択圧下に供試した。コントロールには、次の形質転換体が含まれる:(a)野生型PolI(野生型β−ラクタマーゼを有する);(b)D424A I709N A759R PolI(β−ラクタマーゼを欠くプラスミド)および(c)野生型PolI(β−ラクタマーゼを欠くプラスミド)。2つの独立した選択を、至適化した変異原性条件下で実行した。選択なしの1ラウンドの突然変異誘発の後に、1:10種菌(a 1:10 inoculum)を0.5μg/ml アズトレオナム(IC99=0.2μg/ml)とインキュベーションした。1:10希釈(a 1:10 dilution)を同濃度の薬物の存在下で成長させることにより、生細胞を増殖させ、その後、別の1:10希釈を32μg/ml アズトレオナム中で選択した。この濃度で、如何なるコントロールも、有意な成長を示さなかった。生存細胞(Surviving cell)を64μg/ml アズトレオナムで培養した。プラスミドを単一コロニー(single colonies)から取得し、TEM−1 β−ラクタマーゼを直接的に特異的なプライマーを用いてシークエンスした。 Table 4 shows the TEM-1 mutation phenotype. These were identified as a result of selections performed to establish applicability to the directed evolution (enzymatic) of the system. JS200 cells (cotransformed with a plasmid encoding D424A I709N A759R PolI and a second plasmid encoding the target TEM-1 β-lactamase) were tested under selective pressure with increasing concentrations of aztreonam. did. Controls include the following transformants: (a) wild type PolI (with wild type β-lactamase); (b) D424A I709N A759R PolI (plasmid lacking β-lactamase) and (c) wild type. PolI (plasmid lacking β-lactamase). Two independent selections were performed under optimized mutagenic conditions. After one round of mutagenesis without selection, 1:10 inoculum was incubated with 0.5 μg / ml aztreonam (IC 99 = 0.2 μg / ml). Viable cells were grown by growing a 1:10 dilution (a 1:10 dilution) in the presence of the same concentration of drug, after which another 1:10 dilution was selected in 32 μg / ml aztreonam. At this concentration, no control showed significant growth. Surviving cells were cultured at 64 μg / ml aztreonam. Plasmids were obtained from single colonies and TEM-1 β-lactamase was sequenced directly using specific primers.

ベクターの他の場所における突然変異の潜在的な効果を排除するために並びに単一、二重、および三重のアミノ酸置換を発生させるために、サブクローニングされた関連性のある突然変異を野生型標的プラスミドへとサブクローニングした。表現型の分析のために、前記突然変異体を、野生型PolIを含有しているJS200細胞に再形質転換した(更なる突然変異誘発が回避される)。アズトレオナムに対して選択された突然変異の用量反応曲線を、図10に示す。また、全ての形質転換体に関するIC50s(2つの個々の形質転換体の平均)を、表4に示す。フォールド アズトレオナム抵抗性(Fold aztreonam resistance)は、2つの実験の平均に基づいたIC50を示す(野生型=100に対して正規化された)。 In order to eliminate the potential effects of mutations elsewhere in the vector and to generate single, double and triple amino acid substitutions, subcloned related mutations can be transformed into wild type target plasmids. Subcloned into For phenotypic analysis, the mutants were retransformed into JS200 cells containing wild type PolI (a further mutagenesis was avoided). A dose response curve of the mutations selected for aztreonam is shown in FIG. In addition, Table 4 shows IC 50 s (average of two individual transformants) for all transformants. Fold aztreonam resistance a (Fold aztreonam resistance a) is (normalized to wild type = 100) indicating an IC 50 based on the average of two experiments.

Figure 2005528114
Figure 2005528114

アズトレオナムをワシントン大学の薬局(Drug Services)から購入し、水に50mg/mlの濃度で再懸濁した。JS200に対するアズトレオナム用量反応曲線は、PolI突然変異誘発(1:10種菌、予熱した2XYT、37℃振盪機で15h)に関して使用した条件下で取得された。細胞の>99%を殺傷するアズトレオナムの阻害濃度(IC99)は、0.2μg/mlであった。このことは、pGPS3oriで形質転換したJS200細胞及びpGPS3Δで形質転換した細胞の双方に関して真実であり、野生型β−ラクタマーゼが有意なアズトレオナム抵抗性を与えないことを確証している。 Aztreonam was purchased from Drug Services at the University of Washington and resuspended in water at a concentration of 50 mg / ml. Aztreonam dose response curves for JS200 were obtained under the conditions used for PolI mutagenesis (1:10 5 seeds, preheated 2XYT, 15 h on 37 ° C. shaker). The inhibitory concentration of aztreonam (IC 99 ) that killed> 99% of the cells was 0.2 μg / ml. This is true for both JS200 cells transformed with pGPS3ori and cells transformed with pGPS3Δ, confirming that wild-type β-lactamase does not confer significant aztreonam resistance.

JS200細胞を、プラスミド(D424A I709N A759R PolIをコード化している)およびpGPSori(oriから150bp下流で開始する、野生型β−ラクタマーゼをコード化しているプラスミド)で形質転換した。コントロールには、以下を発現している細胞が含まれる:(a)野生型PolIおよび野生型β−ラクタマーゼ;(b)D424A I709N A759R PolIおよび標的プラスミド(大きいβ−ラクタマーゼ欠失(deletion)を保有する);並びに(c)野生型PolIおよび欠失型β−ラクタマーゼ。2つの独立した選択を、「至適化した」変異原性条件下で実行した。選択なしの1ラウンドの突然変異誘発の後に、培養物の1:10希釈(a 1:10 dilution)を0.5μg/ml アズトレオナム(IC99=0.2μg/ml)とインキュベーションした。 JS200 cells were transformed with a plasmid (encoding D424A I709N A759R PolI) and pGPSori (a plasmid encoding wild type β-lactamase starting 150 bp downstream from ori). Controls include cells expressing: (a) wild-type PolI and wild-type β-lactamase; (b) D424A I709N A759R PolI and target plasmid (bearing large β-lactamase deletion) And (c) wild-type PolI and deleted β-lactamase. Two independent selections were performed under “optimized” mutagenic conditions. After one round of mutagenesis without selection, a 1:10 dilution of the culture (a 1:10 dilution) was incubated with 0.5 μg / ml aztreonam (IC 99 = 0.2 μg / ml).

1:10希釈(a 1:10 dilution)を同濃度の薬物の存在下で成長させることにより、生細胞を増殖させ、その後、別の1:10希釈を32μg/ml アズトレオナム中で選択した。如何なるコントロールも、このポイントで生存しなかった。このことは変異性PolIおよびβ−ラクタマーゼの双方の存在が、これらの条件下の抵抗性に必須であったことを指摘している。生存細胞(Surviving cell)を64μg/ml アズトレオナムで培養した。プラスミドを単一コロニー(single colonies)から取得し、TEM−1 β−ラクタマーゼを直接的に特異的なプライマーを用いてシークエンスした。   Viable cells were grown by growing a 1:10 dilution (a 1:10 dilution) in the presence of the same concentration of drug, after which another 1:10 dilution was selected in 32 μg / ml aztreonam. None of the controls survived at this point. This indicates that the presence of both mutated PolI and β-lactamase was essential for resistance under these conditions. Surviving cells were cultured at 64 μg / ml aztreonam. Plasmids were obtained from single colonies and TEM-1 β-lactamase was sequenced directly using specific primers.

個々のコロニーを、アズトレオナム プレートから抜き取り、そして許容状態(30℃、振盪なし)下で成長させて、10μg/ml アズトレオナム存在下で更なる突然変異誘発を回避した。プラスミドを3mlの各々のこれらのクローンから、Perfectprep(登録商標)ミニプレップキット(エッペンドルフAGより)を用いて抽出し、そして50μlの水に再懸濁した。それらをプライマーBlac−5、−6、−7、−8(実施例4)を用いてシークエンスした。   Individual colonies were picked from aztreonam plates and grown under permissive conditions (30 ° C., no shaking) to avoid further mutagenesis in the presence of 10 μg / ml aztreonam. Plasmid was extracted from 3 ml of each of these clones using the Perfectprep® miniprep kit (from Eppendorf AG) and resuspended in 50 μl of water. They were sequenced using primers Blac-5, -6, -7, -8 (Example 4).

部位HaeIII、Scal、およびFspI(標的プラスミド内でユニーク)を使用して、β−ラクタマーゼ ORFにおいて同定された突然変異を、アズトレオナム選択により、β−ラクタマーゼをコード化しているベクターへとサブクローニングし、そして全ての可能性のある突然変異体の組み合わせを生じさせた。これらの構築物を、JS200細胞(野生型PolIプラスミドを保有している)へと形質転換して、更なる突然変異誘発を誘発することなく、同じ遺伝的バックグラウンドを保持させた。そしてβ−ラクタムの非存在下で成長させた。細胞を、10cfu/mlの標準種菌(standard inoculum)に希釈し、そして16h、増加させた各種濃度のアズトレオナムの存在下で成長させた。IC50Sは、OD600を薬濃度に対してプロットすること、および生存を50%に減少させる濃度を見出すこと、により達成された。個々のクローンの発現におけるバリエーションを説明するために、2つの独立した実験を実行し、平均した。2つの実験間の標準偏差は、30%のオーダーであった。 Using sites HaeIII, Scal, and FspI (unique within the target plasmid), the mutation identified in the β-lactamase ORF is subcloned by aztreonam selection into a vector encoding β-lactamase, and All possible mutant combinations were generated. These constructs were transformed into JS200 cells (carrying wild-type PolI plasmid) to maintain the same genetic background without inducing further mutagenesis. They were grown in the absence of β-lactam. Cells were diluted in 10 5 cfu / ml standard inoculum and grown for 16 h in the presence of increasing concentrations of aztreonam. IC 50 S was achieved by plotting OD 600 against drug concentration and finding the concentration that reduced survival to 50%. To account for variations in expression of individual clones, two independent experiments were performed and averaged. The standard deviation between the two experiments was on the order of 30%.

図1Aは、2−プラスミド突然変異誘発システム(変異性PolIおよび外因的に導入したDNA鋳型の共発現を利用する)の概要図である。FIG. 1A is a schematic diagram of a 2-plasmid mutagenesis system (utilizing co-expression of mutant PolI and exogenously introduced DNA template). 図1Bは、2−プラスミド突然変異誘発システム(変異性PolIおよび外因的に導入したDNA鋳型の共発現を利用する)の概要図である。FIG. 1B is a schematic diagram of a 2-plasmid mutagenesis system (utilizing co-expression of mutated PolI and exogenously introduced DNA template). 図2は、大腸菌DNAポリメラーゼの活性部位におけるモチーフAおよびモチーフB内の残基を示す。これらはヌクレオチドの取り込みの間の複製の忠実度に関して重要である。FIG. 2 shows the residues in motif A and motif B in the active site of E. coli DNA polymerase. These are important with respect to replication fidelity during nucleotide incorporation. 図3Aは、変異性PolIによるインビボ突然変異誘発に標的化される、鋳型DNA(原核生物の及び真核生物のDNAを含む)の態様を示す。図3Bは、いくつかの標的プラスミドを示す。これらは、複製開始点(ori)と突然変異誘発のためのレポーターとして使用されるβ−ラクタマーゼ遺伝子内のオーカー終止コドンとの間に様々な距離を有している。FIG. 3A shows an embodiment of template DNA (including prokaryotic and eukaryotic DNA) targeted for in vivo mutagenesis with mutated PolI. FIG. 3B shows several target plasmids. They have varying distances between the origin of replication (ori) and the ocher stop codon in the β-lactamase gene used as a reporter for mutagenesis. 図4は、β−ラクタマーゼ基質:ペニシリン、セファロスポリン、およびアズトレオナムの3つのクラスの化学構造を説明する。アズトレオナムは、実施例7における選択的な薬剤として供試された。FIG. 4 illustrates the three classes of chemical structures of the β-lactamase substrates: penicillin, cephalosporin, and aztreonam. Aztreonam was tested as a selective agent in Example 7. 図5Aは、培養において、標的プラスミドの存在下で変異性PolIを発現させることにより、突然変異誘発を誘導する初期条件および方法を示す(実施例2において議論された)。FIG. 5A shows the initial conditions and methods for inducing mutagenesis by expressing mutant PolI in the presence of the target plasmid in culture (discussed in Example 2). 図5Bは、培養において、標的プラスミドの存在下で変異性PolIを発現させることにより、突然変異誘発を誘導する至適化条件および方法を示す(実施例2で議論した)。FIG. 5B shows optimization conditions and methods for inducing mutagenesis by expressing mutant PolI in the presence of the target plasmid in culture (discussed in Example 2). 図6は、突然変異誘発(変異性PolI突然変異体の発現による)における培養条件の効果を示す(実施例3で議論した)。FIG. 6 shows the effect of culture conditions on mutagenesis (by expression of mutated PolI mutant) (discussed in Example 3). 図7は、標的プラスミドのコピー数を示す(D424A I709N A759R変異性PolIが、至適化された条件下で発現される場合)。FIG. 7 shows the copy number of the target plasmid (when D424A I709N A759R mutant PolI is expressed under optimized conditions). 図8Aは、突然変異のポジションを示す。これらの突然変異は、ColEl複製開始点(ori)から100bpの距離で開始される、650bpインターバル内に同定された(実施例5で議論した)。図8Bは、どれほど距離が、標的プラスミドにおける突然変異の頻度に影響するかを示す(実施例5で議論した)。FIG. 8A shows the position of the mutation. These mutations were identified within the 650 bp interval starting at a distance of 100 bp from the ColEl origin of replication (ori) (discussed in Example 5). FIG. 8B shows how distance affects the frequency of mutations in the target plasmid (discussed in Example 5). 図9は、宿主(PolIに関して野生型で、DNA修復の主経路に熟達している)におけるプラスミド突然変異誘発の割合(rates)における、変異性Pol1発現の効果を示す(実施例6で議論した)。FIG. 9 shows the effect of mutant Pol1 expression on the rate of plasmid mutagenesis in the host (wild type for PolI and proficient in the main pathway of DNA repair) (discussed in Example 6). ). 図10は、アズトレオナム抵抗性の用量反応曲線を示す(アズトレオナムでの選択に続いて同定された突然変異の代表的なサブセット(subset)により得られた)。FIG. 10 shows a dose response curve of aztreonam resistance (obtained by a representative subset of mutations identified following selection with aztreonam).

Claims (45)

天然のDNAポリメラーゼのミスインコーポレーション比率よりも高い比率のヌクレオチドのミスインコーポレーションを産生すると確認(identified)された、第一モチーフAおよび第二モチーフBを有する活性部位内の突然変異を含む、PolIファミリーのポリメラーゼの組換え型の突然変異体DNAポリメラーゼ。   PolI comprising a mutation in the active site having a first motif A and a second motif B, identified to produce a higher proportion of nucleotide misincorporations than that of natural DNA polymerase A recombinant mutant DNA polymerase of a family of polymerases. 前記天然のDNAポリメラーゼはEscherichia属のDNAポリメラーゼである、請求項1に記載の突然変異体DNAポリメラーゼ。   The mutant DNA polymerase according to claim 1, wherein the natural DNA polymerase is an Escherichia DNA polymerase. 請求項1に記載の突然変異体DNAポリメラーゼであって、前記第一モチーフAは1以上の残基で突然変異されるが、前記第二モチーフBは突然変異されない、突然変異体DNAポリメラーゼ。   2. The mutant DNA polymerase of claim 1, wherein the first motif A is mutated at one or more residues, but the second motif B is not mutated. 請求項1に記載の突然変異体DNAポリメラーゼであって、前記第二モチーフBは1以上の残基で突然変異されるが、前記第一モチーフAは突然変異されていない、突然変異体DNAポリメラーゼ。   2. The mutant DNA polymerase of claim 1, wherein the second motif B is mutated at one or more residues, but the first motif A is not mutated. . 請求項1に記載の突然変異体DNAポリメラーゼであって、前記第一モチーフAおよび前記第二モチーフBが、各々1以上の残基で突然変異された突然変異体DNAポリメラーゼ。   The mutant DNA polymerase according to claim 1, wherein the first motif A and the second motif B are each mutated at one or more residues. 請求項1に記載の突然変異体大腸菌DNAポリメラーゼであって、前記第一モチーフA内の突然変異がポジション709で生じない、突然変異体大腸菌DNAポリメラーゼ。   The mutant E. coli DNA polymerase according to claim 1, wherein the mutation in the first motif A does not occur at position 709. 請求項1に記載の突然変異体大腸菌DNAポリメラーゼであって、前記第一モチーフA内の突然変異は、ポジション709で置換されるアミノ酸残基を含み、該アミノ酸残基はイソロイシンではない、突然変異体大腸菌DNAポリメラーゼ。   2. The mutant E. coli DNA polymerase according to claim 1, wherein the mutation in the first motif A comprises an amino acid residue substituted at position 709, the amino acid residue being not isoleucine. E. coli DNA polymerase. 前記アミノ酸残基はフェニルアラニンである、請求項7に記載の突然変異体DNAポリメラーゼ。   8. The mutant DNA polymerase of claim 7, wherein the amino acid residue is phenylalanine. 前記アミノ酸残基はメチオニンである、請求項7に記載の突然変異体DNAポリメラーゼ。   8. The mutant DNA polymerase of claim 7, wherein the amino acid residue is methionine. 前記アミノ酸残基はアラニンである、請求項7に記載の突然変異体DNAポリメラーゼ。   8. The mutant DNA polymerase of claim 7, wherein the amino acid residue is alanine. 前記アミノ酸残基はアスパラギンである、請求項7に記載の突然変異体DNAポリメラーゼ。   8. The mutant DNA polymerase of claim 7, wherein the amino acid residue is asparagine. 請求項1に記載の突然変異体大腸菌DNAポリメラーゼであって、前記第二モチーフB内の突然変異がポジション756または759で生じない、突然変異体大腸菌DNAポリメラーゼ。   The mutant E. coli DNA polymerase according to claim 1, wherein the mutation in the second motif B does not occur at position 756 or 759. 請求項1に記載の突然変異体大腸菌DNAポリメラーゼであって、前記第二モチーフB内の突然変異は、ポジション756で置換されるアミノ酸残基を含み、該アミノ酸残基はセリンではない、突然変異体大腸菌DNAポリメラーゼ。   2. The mutant E. coli DNA polymerase according to claim 1, wherein the mutation in the second motif B comprises an amino acid residue substituted at position 756, wherein the amino acid residue is not serine. E. coli DNA polymerase. 前記アミノ酸残基はグルタミン酸である、請求項13に記載の突然変異体DNAポリメラーゼ。   14. A mutant DNA polymerase according to claim 13, wherein the amino acid residue is glutamic acid. 請求項1に記載の突然変異体大腸菌DNAポリメラーゼであって、前記第二モチーフB内の突然変異は、ポジション759で置換されるアミノ酸残基を含み、該アミノ酸残基はアラニンではない、突然変異体大腸菌DNAポリメラーゼ。   The mutant E. coli DNA polymerase according to claim 1, wherein the mutation in the second motif B comprises an amino acid residue substituted at position 759, wherein the amino acid residue is not alanine. E. coli DNA polymerase. 前記アミノ酸残基はアルギニンである、請求項15に記載の突然変異体DNAポリメラーゼ。   16. A mutant DNA polymerase according to claim 15 wherein the amino acid residue is arginine. 前記アミノ酸残基はアスパラギンである、請求項15に記載の突然変異体DNAポリメラーゼ。   16. A mutant DNA polymerase according to claim 15, wherein the amino acid residue is asparagine. 前記アミノ酸残基はプロリンである、請求項15に記載の突然変異体DNAポリメラーゼ。   16. The mutant DNA polymerase of claim 15, wherein the amino acid residue is proline. 前記アミノ酸残基はセリンである、請求項15に記載の突然変異体DNAポリメラーゼ。   16. The mutant DNA polymerase of claim 15, wherein the amino acid residue is serine. 請求項1に記載の突然変異体DNAポリメラーゼであって、ミスインコーポレーションの比率が、少なくとも10倍高い突然変異体DNAポリメラーゼ。   The mutant DNA polymerase according to claim 1, wherein the misincorporation ratio is at least 10 times higher. 請求項1に記載の突然変異体DNAポリメラーゼであって、ミスインコーポレーションの比率が、少なくとも100倍高い突然変異体DNAポリメラーゼ。   The mutant DNA polymerase according to claim 1, wherein the ratio of misincorporation is at least 100 times higher. 請求項1に記載の突然変異体DNAポリメラーゼであって、ミスインコーポレーションの比率が、少なくとも1000倍高い突然変異体DNAポリメラーゼ。   The mutant DNA polymerase according to claim 1, wherein the ratio of misincorporation is at least 1000 times higher. 前記突然変異体ポリメラーゼ内のエキソヌクレアーゼドメインが不活化された、請求項1に記載の突然変異体DNAポリメラーゼ。   2. The mutant DNA polymerase of claim 1, wherein an exonuclease domain in the mutant polymerase is inactivated. インビボで機能する、請求項1に記載の突然変異体DNAポリメラーゼ。   2. The mutant DNA polymerase of claim 1 that functions in vivo. インビトロで機能する、請求項1に記載の突然変異体DNAポリメラーゼ。   2. The mutant DNA polymerase of claim 1 that functions in vitro. 請求項1に記載の突然変異体DNAポリメラーゼをコード化しているベクター。   A vector encoding the mutant DNA polymerase of claim 1. 請求項26に記載のベクターを含む宿主細胞。   A host cell comprising the vector of claim 26. 標的DNA配列内にインビボ突然変異誘発により、ランダム突然変異を発生させるための方法であって:
第一モチーフAおよび第二モチーフBを有する活性部位内に突然変異を含み、天然のDNAポリメラーゼのミスインコーポレーション比率よりも高い比率のヌクレオチドのミスインコーポレーションを産生すると確認(identified)された、PolIファミリーのポリメラーゼの突然変異体DNAポリメラーゼ、を発現する第一DNAベクター、を有する適切な宿主細胞を提供することと;
複製開始点の下流に位置する標的配列、をコード化している第二DNAベクター(該第二DNAベクターは、前記第一DNAベクターから発現される突然変異体DNAポリメラーゼによる突然変異誘発を受けて、標的DNAの突然変異型を産生する)、を有する前記宿主細胞を提供することと;および
形質転換細胞を、実質的にプラスミド特異的突然変異誘発の比率を染色体突然変異誘発の比率よりも高く促進する、条件のセット下で成長させることと;
を具備する方法。
A method for generating random mutations by in vivo mutagenesis within a target DNA sequence comprising:
PolI, which contains a mutation in the active site having the first motif A and the second motif B and has been identified to produce a higher proportion of nucleotide misincorporation than that of natural DNA polymerase. Providing a suitable host cell having a first DNA vector expressing a mutant DNA polymerase of a family polymerase;
A second DNA vector encoding a target sequence located downstream of the origin of replication (the second DNA vector has been subjected to mutagenesis by a mutant DNA polymerase expressed from the first DNA vector; Producing a mutated form of the target DNA), and
Growing the transformed cells under a set of conditions that substantially promotes the rate of plasmid-specific mutagenesis to be higher than the rate of chromosomal mutagenesis;
A method comprising:
請求項28記載の方法であって、規定の生物学的機能を与える、突然変異した標的DNAを選択するために:
前記形質転換細胞を選択培地(その中で生存している形質転換細胞は、規定の生物学的機能を呈するものである)と接触させることと;および
突然変異した標的DNAを生存している形質転換細胞から分離することと;
を具備する方法。
30. The method of claim 28, for selecting a mutated target DNA that confers a defined biological function:
Contacting the transformed cells with a selective medium (transformed cells surviving therein exhibit a defined biological function); and
Isolating the mutated target DNA from living transformed cells;
A method comprising:
標的DNA配列内にインビボ突然変異誘発により、ランダム突然変異を発生させるための方法であって:
第一モチーフAおよび第二モチーフBを有する活性部位内に突然変異を含み、天然のDNAポリメラーゼのミスインコーポレーション比率よりも高い比率のヌクレオチドのミスインコーポレーションを産生すると確認(identified)された、PolIファミリーのポリメラーゼの突然変異体DNAポリメラーゼを発現する適切な宿主細胞を産生することと;
複製開始点の下流に位置する標的配列、をコード化しているDNAベクター(該DNAベクターは、発現された突然変異体DNAポリメラーゼによる突然変異誘発を受けて、標的DNAの突然変異型を産生する)、を有する前記宿主細胞を提供することと;および
形質転換した細胞を、実質的にプラスミド特異的突然変異誘発の比率を染色体突然変異誘発の比率よりも高く促進する、条件のセット下で成長させることと;
を具備する方法。
A method for generating random mutations by in vivo mutagenesis within a target DNA sequence comprising:
PolI, which contains a mutation in the active site having the first motif A and the second motif B and has been identified to produce a higher proportion of nucleotide misincorporation than that of natural DNA polymerase. Generating a suitable host cell expressing a mutant DNA polymerase of a family polymerase;
A DNA vector encoding a target sequence located downstream of the origin of replication, which is subjected to mutagenesis by the expressed mutant DNA polymerase to produce a mutated form of the target DNA Providing said host cell with: and
Growing the transformed cells under a set of conditions that substantially promotes the rate of plasmid-directed mutagenesis higher than the rate of chromosomal mutagenesis;
A method comprising:
請求項30記載の方法であって、規定の生物学的機能を与える、突然変異した標的DNAを選択するために:
前記形質転換細胞を選択培地(その中で生存している形質転換細胞は、規定の生物学的機能を呈するものである)と接触させることと;および
突然変異した標的DNAを生存している形質転換細胞から分離することと;
を具備する方法。
32. The method of claim 30, for selecting a mutated target DNA that confers a defined biological function:
Contacting the transformed cells with a selective medium (transformed cells surviving therein exhibit a defined biological function); and
Isolating the mutated target DNA from living transformed cells;
A method comprising:
請求項28または30に記載の方法であって、コントロールされる前記条件のセットは:
形質転換した細胞の培養物を、豊富な培地において成長させることと;および
前記培養物を、成長期に到達させ且つ維持させることと;
を含む方法。
A method according to claim 28 or 30, wherein the set of conditions to be controlled is:
Growing a culture of transformed cells in a rich medium; and
Allowing the culture to reach and maintain a growth phase;
Including methods.
請求項28または30に記載の方法であって、コントロールされる前記条件のセットを取得することは:
形質転換した細胞の培養を、開始細胞(starter cells)の低い種菌(a low inoculum)で開始することと;
形質転換した細胞の培養物を、豊富な培地において成長させることと;
前記培養物を制限温度で振盪前にインキュベートすることと;および
前記培養物を、成長期に到達させ且つ維持させることと;
を含む方法。
A method according to claim 28 or 30, wherein obtaining the set of conditions to be controlled is:
Initiating culture of transformed cells with a low inoculum of starter cells;
Growing a culture of transformed cells in a rich medium;
Incubating the culture at a limiting temperature before shaking; and
Allowing the culture to reach and maintain a growth phase;
Including methods.
請求項28または30に記載の方法であって、前記標的DNAは原核生物の又は真核生物の配列に相当(represents)する方法。   31. A method according to claim 28 or 30, wherein the target DNA is represented by a prokaryotic or eukaryotic sequence. 請求項28または30に記載の方法であって、前記適切な宿主細胞は原核生物の株に相当(represents)する方法。   31. A method according to claim 28 or 30, wherein the suitable host cell represents a prokaryotic strain. 請求項35に記載の方法であって、前記原核生物の株は、温度感受性のDNAポリメラーゼ対立遺伝子を発現する方法。   36. The method of claim 35, wherein the prokaryotic strain expresses a temperature sensitive DNA polymerase allele. 請求項35に記載の方法であって、前記原核生物の株は、野生型のDNAポリメラーゼを内因性に発現する方法。   36. The method of claim 35, wherein the prokaryotic strain endogenously expresses wild type DNA polymerase. 請求項35に記載の方法であって、前記原核生物の株は、内因性に野生型のDNAポリメラーゼを発現し、野生型のミスマッチ修復機能を呈する方法。   36. The method of claim 35, wherein the prokaryotic strain endogenously expresses wild-type DNA polymerase and exhibits a wild-type mismatch repair function. 請求項35に記載の方法であって、前記原核生物の株は、相補性を受け入れる遺伝的欠陥(genetic defect)を保有する方法。   36. The method of claim 35, wherein the prokaryotic strain carries a genetic defect that accepts complementarity. 請求項32または33に記載の方法であって、前記豊富な培地はヌクレオシド アナログを含み、前記ヌクレオチド アナログは蛍光体(fluorophores)、化学発光体(chemiluminescers)、生物発光体(bioluminescers)または放射性同位体からなる群から選択される群で標識される方法。   34. The method of claim 32 or 33, wherein the rich medium comprises nucleoside analogs, the nucleotide analogs being fluorophores, chemiluminescents, bioluminescents or radioisotopes. A method of labeling with a group selected from the group consisting of: DNA分子内に突然変異を産生させるためのキットであって、以下を具備するキット:
容器;および
請求項1に記載の突然変異体DNAポリメラーゼをコード化しているベクター。
A kit for producing a mutation in a DNA molecule, comprising:
A container; and
A vector encoding the mutant DNA polymerase of claim 1.
請求項41に記載のキットであって、以下を具備するキット:
第二の容器;および
デオキシリボヌクレオシド三リン酸または関連するアナログ。
42. A kit according to claim 41, comprising:
A second container; and
Deoxyribonucleoside triphosphate or related analog.
請求項42に記載のキットであって、前記デオキシリボヌクレオシドが標識または非標識されたキット。   43. The kit according to claim 42, wherein the deoxyribonucleoside is labeled or unlabeled. DNA分子内に突然変異を産生させるためのキットであって、以下を具備するキット:
容器;および
請求項2に記載の突然変異体DNAポリメラーゼをコード化しているベクター。
A kit for producing a mutation in a DNA molecule, comprising:
A container; and
A vector encoding the mutant DNA polymerase of claim 2.
請求項44のベクターであって、1以上の以下に記載の突然変異体ポリメラーゼを含む、突然変異体ポリメラーゼをコード化しているベクター:
アスパラギンをポジション709(これにより野生型イソロイシンが置換される)に有している突然変異体;
フェニルアラニンをポジション709(これにより野生型イソロイシンが置換される)に有している突然変異体;
アラニンをポジション709(これにより野生型イソロイシンが置換される)に有している突然変異体;
メチオニンをポジション709(これにより野生型イソロイシンが置換される)に有している突然変異体;
アルギニンをポジション759(これにより野生型アラニンが置換される)に有している突然変異体;
アスパラギンをポジション759(これにより野生型アラニンが置換される)に有している突然変異体;
プロリンをポジション759(これにより野生型アラニンが置換される)に有している突然変異体;
セリンをポジション759(これにより野生型アラニンが置換される)に有している突然変異体;
グルタミン酸をポジション756(これにより野生型セリンが置換される)に有している突然変異体;
アスパラギンをポジション709(これにより野生型イソロイシンが置換される)に、およびアルギニンをポジション759(これにより野生型アラニンが置換される)に有している突然変異体;および
フェニルアラニンをポジション709(これにより野生型イソロイシンが置換される)に、およびアルギニンをポジション759(これにより野生型アラニンが置換される)に有している突然変異体。
45. The vector of claim 44, wherein the vector encodes a mutant polymerase comprising one or more of the mutant polymerases described below:
A mutant having asparagine at position 709 (which replaces wild-type isoleucine);
A mutant having phenylalanine at position 709 (which replaces wild-type isoleucine);
A mutant having an alanine at position 709 (which replaces wild-type isoleucine);
A mutant having a methionine at position 709 (which replaces wild-type isoleucine);
A mutant having arginine at position 759 (which replaces wild-type alanine);
A mutant having asparagine at position 759 (which replaces wild-type alanine);
A mutant having a proline at position 759 (which replaces wild-type alanine);
A mutant having a serine at position 759 (which replaces wild-type alanine);
A mutant having glutamic acid at position 756 (which replaces wild-type serine);
A mutant having asparagine at position 709 (which replaces wild-type isoleucine) and arginine at position 759 (which replaces wild-type alanine); and
Mutant with phenylalanine at position 709 (which replaces wild-type isoleucine) and arginine at position 759 (which replaces wild-type alanine).
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